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計算機組成原理基本知識：

一：CUP

• Core：核心，既CPU的內核，cpu中間的核心芯片，單晶硅制成，cpu可分為單核和多核cpu， 每一個核都是獨立的運算單元，可以完成獨立的計算，接收指令，處理資料等，
• 單核cup： cpu只有一個用來處理資料的核心，
• 多核cpu：cpu中有多個進行處理資料的核心，另外，cpu核數和性能的關系是呈 線性增長的，
• 赫茲（HZ）：代表cpu的頻率，cpu是以高低電平的轉換來作業的，聽過一個頻率的概念，來表示cpu的性能，例如 2GHZ表示，每秒進行高低電平切換20億次，
• 目標：要學會充分理解和利用cpu的多核性能，需要懂得怎樣去使用，什么樣的場景下去使用，怎么樣去利用cpu性能，
• （1）CPU的功能
• 控制程式的順序運行，程式實際上就是串行的一系列有序的指令，
• 產生完成每一條指令所需的控制指令，（譯碼器）
• 對各種操作加以時間上的控制，（時序發生器）
• 對資料進行邏輯運算和邏輯加工，（運算器）

（1）cpu內核的主要組成

控制器：協調和控制計算機運行，

• 程式計數器：主要用來存盤下一套指令的運算地址，cpu運行時，就是不斷在程式計數器中取出指令，并執行，
• 時序發生器：主要負責發出信號的脈沖，產生頻率穩定的電信號，每個步驟都有時間的限制，時間的限制就是通過電信號的頻率來進行控制的，
• 指令譯碼器：負責把指令轉換為相關的電信號的譯碼器件，
• 其他各種暫存器：暫時的存盤一些資料，

（2）運算器：資料的運算加工，

• 資料緩沖器：包括資料輸入緩沖，輸出緩沖，負責資料的暫時緩沖，
• 通用暫存器：
• ALU：負責計算的元器件，
• 狀態字暫存器等：負責進行計算狀態的保存，

（2）高速快取：

• 處于存盤器的部分，后面介紹，

二：存盤器

（1）存盤器的存次結構

• 1.快取： 上面提到的高速快取等，速度最快，價格高，
• 2.主存：主要存盤， 記憶體條，即時存盤，斷電資料丟失，速度始終，價格適中，
• 3.輔存：磁盤，SSD等，斷點依然可以保存資料，速度低，價格低，
• 出現層次性結構的原因：區域性原理， 是指CPU訪問存盤器時，無論是存取指令還是存取資料，所訪問的存盤單元都趨于聚集在一個較小的連續區域中，就是2-8定律，20的存盤區域，將會占用CPU訪問的80%的時間，
  
• 層次結構實作原理：在cpu與志村之間增加一層速度快（容量小的）Cache（快取），解決主存速度不足的問題，

作業系統基本知識

• 一和二是 B站上的網課學習內容筆記，可以直接跳到三，

一: 相關基本概念

• job（作業）：是指，計算機用戶在一次上機程序中眼球計算機系統為其所做作業的合集；作業中每項相對獨立的作業稱為：作業步
• Thread（執行緒）：程式的一次相對獨立的運行程序（動態程序），是系統調度的最小單位，
• 行程：是系統資源分配的最小單位，也就是說，行程是系統中擁有資源的最小物體，一個行程可以包括多個執行緒，執行緒被調度，使用行程的資源，
• Virtual Memory（虛擬存盤）：是行程的邏輯地址空間把實際的記憶體空間進行虛擬擴大， 也就是把部分外存空間，（運用某種手段或演算法）虛擬為記憶體使用，讓用戶感覺 記憶體空間變大了
• File（檔案）：命名了的位元組流（對一團位元組流進行命名，就可以說這團位元組流是你的一個檔案）

二：相關系統

• 單道批處理系統：外存上是一批作業在排隊（批），記憶體上只有一個作業執行（單道）
  
• Monitor早期的在記憶體中的作業系統，來實作將一個作業從 外存調度到記憶體進行執行（通過演算法，決定將那個作業呼叫到記憶體），
• 過渡（單到多道）：浪費資源，當執行io等操作時，cpu只能等待io結束，才能接著執行，利用率低下，
• 多道批處理：
  
• 系統允許多個任務進入記憶體（1.就涉及到記憶體劃分，多個任務如何進入到記憶體），在記憶體還是要排隊（等cpu資源）
• 總結： 外存中作業配對等待進入記憶體，多個任務進入記憶體，還要排隊等待 cpu執行它，

（1）多道程式中遇到的問題：

• 同步（協調）也叫行程同步：例如：計算行程a，列印行程b，列印行程b需要等計算行程a計算出來結果，通知b后，才能列印，

• 互斥：比如列印機，只允許一個行程使用完了，才能另一個使用
• 不確定性：不受環境配置影響，執行結果是確定的，不能是可變的，
• 死鎖：競爭資源，卡死，

（2）作業系統分層結構風格

• 就像是計算機網路上面的 OSI7層結構， 每一層向上層提供服務，又隱藏自己，就好像直接是 網路層到網路層傳輸，忽視下層， 作業系統，我們在作業系統的平臺上開發，也是使用作業系統的提供介面，但不在乎這些介面，只管自己這層對軟體的開發，下層是透明的，
• Liunx：是一個分塊的作業系統，（因為有眾多人分塊的實作各個部分功能）
• 模式：簡單地說，就是程式運行程序中使用的，由硬體體系結構提供的CPU特權模式，
  
  
• 用戶態，內核態：用戶使用 用戶模式（核外子系統），呼叫核心子系統，但是 核心子系統，不會去呼叫你寫的程式，

行程

• 行程的構成：程式+資料+PCB（行程控制塊，系統利用PCB來描述行程的基本情況和活動程序，進而控制和管理行程，使并發執行的每一個程式（含資料）都能獨立的運行）
• 目的：使程式可以并發的執行，但是會出現資源競爭等問題，需要合理解決，
• 行程狀態之間的轉換：
  
• 交換技術：（在linux磁盤磁區時，有這樣的磁區）
  
• 程式的掛起狀態： 我猜測虛擬機的掛起就是這樣的狀態， 掛起就是運用到 交換技術，將程式和資料從記憶體轉移到外存中去，
  

三: 作業系統的基本功能：

（1）操作統一管理計算機不同的資源：

• 根據上節的計算機組成內容，可以抽象出很多不同的資源，
• 1.處理器資源
• 2.IO設備資源
• 3.存盤器資源
• 4.檔案資源
• 管理方式：驅動，比方說使用網卡等，都需要安裝驅動，是一種貼近硬體的一種程式，是集成在作業系統內部的，內核態中的，

（2）實作對作業系統資源的抽象

• 1.有了作業系統，用戶在編程的時候就不需要面向硬體介面進行編程(面向硬體編程是相關驅動的作業)， 開發人員撰寫程式，一般都是在作業系統之上進行編程的，使用的計算機資源，都是經過作業系統抽象出來的，
• 舉例子：IO設備管理軟體，虛擬設備，開發者再使用IO設備的時候，寫的其實是虛擬的設備，實際的設備是由驅動去完成的，介面是由驅動或者是作業系統提供給我們的，檔案管理軟體（也稱為檔案系統）：讀或者寫一個檔案的時候，我們不需要知道檔案的具體位置，作業系統會提供給我們一個介面，和一個檔案的句柄（可以稱之為虛擬的檔案），在程式里只需要對這個虛擬的檔案進行讀或者寫，在硬體的層面，就會自懂的幫我們完成硬體的保存和讀取，從程式開發者的角度，這些硬體資源都被作業系統所抽象出來了，實作了對計算機資源的抽象，我們實際上操作的都是對計算機資源的一個抽象，并不是實際的操作底層的硬體，

（3）作業系統提供了用戶與計算機之間的介面

• 作業系統提供了 系統呼叫，命令列，圖形視窗三種形式的介面呼叫，
  
• 系統調動： 是比較專業的介面，需要有一定的開發基礎，比如平時的創建行程（pthread），打開檔案，網路發送（socket），都是系統呼叫，使用作業系統給開發人員提供的介面，

四： 作業系統的用戶態與內核態

• 由來：
  

（1）內核態： 專門用來運行內核態相關的程式

• 內核空間：存放的是內核代碼和資料

• 行程執行作業系統內核的代碼

• cpu可以訪問記憶體所有資料，包括外圍設備

• 支撐功能
  

• 資源管理能功能
  

（2）用戶態：用來運行用戶自己撰寫的一些程式，

• 用戶空間： 存放的是用戶程式的代碼和資料

• 行程在執行用戶自己的代碼（非系統呼叫之類的函式）

• CPU只可以訪問有限的記憶體，不允許訪問外設，

• 用戶態切換到內核態的三種方法：系統呼叫，例外中斷，外圍設備的中斷，

• 外圍設備的中斷：一般是指磁盤，網卡，鍵盤等，**舉例說明：**例如cpu需要讀取磁盤上的資料， cpu和磁盤的速度差別很大，發出讀寫信號后，cpu是不可能去等磁盤讀取資料完成的，這是就會出現一個叫做DMA的設備，出現在兩者之間，cpu在發送了讀取信號后就去干別的事情了，等到dma設備讀取完成后，發送中斷信號，這是CPU才會從用戶態切換到內核態來處理DMA的資料，
  

四： 并行與并發

• 并發：是指具有同時處理多個任務的能力，（同一時間間隔發生）
• 并行：是指真正可以在同一時間，處理多個任務的能力，（同一時間發生）
• 并發系統：既有并行，也有并發，一般通常叫做并發系統，

作業系統中的并行與并發

• 單核cpu：中只能夠并發的執行，也就是同一時間只能執行一個任務，串行執行，
• 多核CPU：例如四核cpu，擁有四個核心，可以真正的同時執行四個程式，四核之間任務并行執行，每個核里又是很多任務并發執行！
  
• 分時系統： 給任務分配時間片，一段時間內輪流執行，

五：同步，異步

• 一個函式，呼叫另一個函式，可能要等另一個函式準備好資料，呼叫方一直等待對方準備資料，就是同步，
• 異步， 被呼叫函式，直接回傳，告訴呼叫函式，你先去忙其他的事吧，等我準備好再通知你，然后繼續準備資料，準被完成后，在告訴呼叫函式去讀取資料，呼叫函式不需要等待，
  
• 同步和異步，強調的是訊息通信機制！
• 阻塞和非阻塞：強調的是程式在等待呼叫結果時的狀態，（例如I/O模型中的阻塞和非阻塞）

六：作業系統行程

• 目的：多道程式環境下，使程式能夠并發執行，隔離資源，運行環境，提升資源利用率，
• 行程是系統進行資源分配和調度的基本單位，
• 組成：程式段，相關資料段和PCB三部分構成行程物體（又稱行程映像），
• 行程的狀態轉換，請參考上面二的介紹，
  
• PCB（行程控制資料塊）：屬于作業系統內核的一種資料結構，用來描述和控制行程運行的通用資料結構，包括：行程識別符號（用戶程式起的行程名字），內部識別符號（行程號），處理機狀態，行程調度資訊，行程控制資訊等
  
  
• 行程用戶空間也保存著一些資訊：
  

行程調度演算法

• 非搶占式調度， 當前行程主動方放棄CPU
• 搶占式調度： 當前行程被動放棄CPU，允許終端當前執行的行程（行程擁有優先級）
  就緒佇列：
• 先來先服務演算法：誰先來先服務誰，知道運行好了，自動退出再換下一個，
• 短作業優先演算法：預估行程剩余所需運行時間，時間短的優先調度，要求就緒佇列規模較小，時間估算也不一定準
• 最高回應比演算法：
  
  等等還有很多，比如有時間片輪轉，優先級調度演算法，

用戶級執行緒：

• 切換成本低，與內核執行緒之間是多對一的，由用戶自行調度，內核無法干涉，

• 內核執行緒阻塞，所有執行緒無法運行
  

• 組合方式執行緒：管理作業既發生在內核態也發生在用戶態，多對多，不會因為內核執行緒的阻塞，導致所有用戶態執行緒不能執行，
  

常見的編程語言的執行緒模型

• C/C++語言：使用原生的作業系統執行緒
  

• java和上面的一樣，用戶態，內核態1對1.
  

• javascript：主要運行在瀏覽器的，單執行緒語言， 可以通過async等關鍵字實作用戶態的執行緒，一對多
  

• go語言： 典型的組合方式，執行緒調度模型：G-P-M，G代表協程，用戶級執行緒，M內核級執行緒，P就是G和M之間的調度物件，用來調節G 和 M之間的關系，
  

• python： 組合方式的實作方式
  

補充探究的內容：用戶態執行緒，內核態執行緒

• 可以對這些問題進行考究：下面是里面的圖片
  
  
  
  
• 后面關于書中介紹的執行緒的創建等，就不去截圖了，

行程與執行緒的背景關系切換

• 什么是背景關系：cpu切換執行任務時，需要得到的資訊， 就兩個人聊天，突然加進來另外一個人，他中途到來，不知道我們上文說了什么，所以也聽不懂我們后面要說啥，

暫存器級別背景關系：

• 保存在CPU核心里面的

用戶程式級別背景關系

• 主要保存在主存中，和當前運行的行程，用戶級的資料，包括程式的邏輯等，

系統級別的背景關系

協程

協程就是用戶級的執行緒，

• 平時所說的16核32執行緒，指的是內核執行緒，