參考自：公眾號小林coding的圖解系統
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硬體部分

首先我們要明確一個概念，讀寫速度越快（花費的CPU時鐘周期越少）的硬體就越靠近CPU，且越昂貴，

CPU（中央處理器）

等于人體的大腦，是計算機得以運行的根本，32位CPU一次可裝入4位元組資料（32bits），64位CPU一次可裝入8位元組資料（64bits），
64位CPU的優勢在于能夠計算的數值更大，比如（2^40）這個數，64位CPU可一次性裝入并運算，放到32位CPU上只能把數拆分為高位與低位，分兩次裝入，
事實上，如果不計算2^32以上的大數，32位與64位CPU之間沒有區別，只不過在32位CPU上運行的程式并不能直接移植到64位系統上，
在CPU內部，還有多種暫存器，包括但不限于通用暫存器（存放運算的資料）、程式計數器（也就是PC，PC指標指向了下一條指令在記憶體的地址）、指令暫存器（存放指令本身，指令被執行前，會被裝載在這里），

總線

分為以下三種：
1、地址總線：用于指定CPU要操作的記憶體地址，32位CPU采用的地址總線是并行的，也就是說有32根地址總線，可操作的地址空間是4GB（2^32 bytes）
2、資料總線：用于讀寫記憶體資料，32位CPU最好也配備32跟資料總線
3、控制總線：用于發送和接收信號，比如中斷等信號，CPU收到信號就會進行回應

存盤器

存盤器分為很多種，記憶體、cache、暫存器以及硬碟，他們的特性、性能、應用場景各不相同，總的來說，就是讀寫速度越快的越貴，容量越少，除了硬碟之外，其他存盤器在關機后，內部存盤的資料都會丟失，

暫存器

暫存器的數量可達數十甚至數百個，32位CPU中大多數暫存器都能存盤4位元組資料，64位CPU則是8位元組，暫存器的讀寫一般只需要花費半個時鐘周期，

CPU cache

即高速緩沖存盤器，使用SRAM芯片，讀寫速度次于暫存器，cache共分為三級，

L1級讀寫需要2-4個時鐘周期，大小在幾十到幾百KB，每個CPU核心都有自己的L1高速快取，在L1里指令與資料時分開存放的，所以通常分成指令快取與資料快取，
L2級讀寫需要10-20個時鐘周期，大小在幾百到幾千KB，其位置比L1更遠離CPU，同樣地，每個CPU核心都有自己的L2高速快取，
L3級讀寫需要20-60個時鐘周期，大小在幾MB到幾十MB，多個CPU核心共享L3高速快取，

記憶體

使用DRAM芯片，比SRAM便宜（意味著讀取速度更慢，容量更大），其訪問資料需要200-300個時鐘周期，

硬碟

分為SSD（固態硬碟）以及HDD（機械硬碟），斷電后也能保存資料，固態的速度比記憶體慢10-1000倍，機械比記憶體慢十萬倍，因為內部是靠磁盤旋轉，然后靠磁頭讀取資料的，

存盤器層次關系

CPU并不會跟每一種存盤器進行資料交換，而是通過暫存器，暫存器再通過cache…，因此每一種存盤器只會與相鄰的存盤器進行資料交換，

細聊cache

在linux系統中，我們可以根據一下命令查看三級高速快取的大小，

CPU讀取資料時會先訪問cache，如果cache中恰好有所需的資料就直接讀取而不必再訪問記憶體，這就是快取命中，
cache從記憶體中一塊一塊地讀取資料，這些小塊稱為cache line（快取塊），
CPU訪問記憶體資料時同樣是一塊塊讀取的，這些塊稱為Block（記憶體塊），
要把記憶體塊放到cache里面的話，就需要把一塊記憶體塊的地址映射到快取塊的地址上，通過地址取模可以分配快取塊行號，但還需要其他資訊才能唯一指定快取塊中的資料塊，
具體資料結構如下：

CPU訪問一個記憶體地址的時候，需要4個步驟：
1、找到資料對應的cache line地址
2、判斷有效位，如果無效就直接訪問記憶體并重新加載資料
3、對比記憶體地址和cache line的組標記，如果不一致就直接訪問記憶體并重新加載資料
4、根據記憶體地址的偏移量資訊從cache line中讀取對應的字

快取一致性

即保持快取中的資料與記憶體中的一致，對于單核CPU來說，只需要在快取未命中的時候把對應的cache block標記為臟，然后再把資料寫回記憶體就可以了，但是對于多核CPU（只共享L3 cache），還需要考慮多個CPU間的快取一致性問題，多核CPU的快取一致性需要有以下兩種機制：
1、寫傳播：某個CPU核心的快取更新需要同步到其他CPU
2、事務串行化：某個核心對資料的操作順序，在其他核心看來也是一致的，打個比方，一個核心的快取里的資料i先更改為100，再更改為200，那么這個程序放在別的核心里面也是一樣的流程，

MESI協議

為了實作CPU快取一致性而生的協議，主要定義了cache line的四種狀態：modified（已修改）、exclusive（獨占）、shared（共享）、invalidated（已失效），
1、modified：表示當前快取塊的資料已被更改，并且還沒有與記憶體同步，
2、exclusive：表示資料還沒有更改，且沒有與其他CPU快取分享，
3、shared：多個CPU快取都保存著這份資料，
4、invalidated：資料失效，不能再讀取這份資料了，
舉黎姿（黎姿永遠的女神！）：
1、1號CPU從記憶體讀取變數i，此時其他CPU并沒有快取i，因此在1號CPU里對應的快取塊應標記為exclusive，
2、2號CPU也從記憶體讀取了i，此時會發送資訊給其他CPU，由于1號CPU快取了i，因此快取塊應該從exclusive變為shared，
3、1號CPU更改了i的值，由于此時是shared柱狀態，需要向其他所有CPU發送廣播，請求他們把i對應的快取塊標記為invalidated，1號CPU修改完i值后，快取塊標記為modified，
4、如果1號繼續修改modified資料，就無須再進行廣播了，
5、1號CPU的i值對應的快取塊將被替換，由于此時是modified狀態，就會在被替換時把i寫回記憶體，
在exclusive和modified狀態下修改資料都是不需要發送廣播的，如果采用總線嗅探技術，每次修改都需要廣播，無疑會增大總線壓力，

狀態轉移圖：

偽共享

所謂的偽共享，是指特定情況下，兩個CPU讀取同一塊資料時，本該都是shared狀態，然而在一系列特定的操作后，卻變成一個已修改，另一個無效，且無法跳出這個狀態回圈，

故事伊始，我們假設有a、b兩個變數，它們都不在cache，我們也有兩個執行緒，它們分別系結了1號CPU和2號CPU，假設執行緒1只讀寫a，執行緒2只讀寫b，
1、1號CPU讀取a，但a、b恰好分在同一個cache line，此時應該是exclusive狀態，
2、2號CPU讀取b，此時應該是shared狀態，
3、1號CPU要修改a，那么就先進行廣播，請求2號把cache line修改為invalidated，然后1號標記為modified并修改，
4、2號CPU要修改b，由于是目前的cache line是invalidated，為了同步，應該先把1號CPU的modified資料協會到記憶體，2號CPU再從記憶體讀取包含b的一塊cache line，把狀態更改為modified并修改，
5、如果1號與2號CPU交替修改a和b，就會重復步驟3和4，那么cache的作用就體現不出來了（每次修改資料都要從記憶體讀進來），

綜上所述，對于多執行緒共享的熱點資料，也就是經常會修改的資料，應當避免分在同一個cache line，

執行緒調度

linux系統中的任務有優先級，優先級越高則越快相應，分為實時任務（優先級0-99），普通任務（優先級100-139），
對于不同的任務，有以下三種調度類：
1、deadline和realtime：用于實時任務，有以下特點：一、按照deadline（ddl）最近的優先調度，二、相同優先級排在前面的先調度，三、每個任務都有時間片，用完之后就放回佇列尾部，支持搶占式任務調度，
2、fair：由CFS調度器管理，應用于普通任務，

每個CPU都有自己的運行佇列，三種調度類各占一個，分別為dl_rq、rt_rq、csf_rq，其中csf_rq根據vruntime（任務的虛擬運行時間）大小來排序，

中斷

搞單片機的應該聽過，中斷是作業系統回應硬體設備請求的機制，一旦發生中斷，當前行程立刻掛起，并保護現場，然后去執行中斷處理程式，處理完畢再回來恢復現場，（然而單片機學的并不好，有些術語好像并沒有用對），

如果整個中斷流程用時太長，就會降低運行效率，因此linux系統把中斷分為兩部分，上半部分處理與硬體相關的事，下半部分用于后續處理，
比如，網卡接收網路包的時候，先是把這些包讀到記憶體中，完成上半部分，然后內核觸發軟中斷，進行網路資料包決議，下半部分用時一般較長，