并发编程基础底层原理

计算机基本构成

计算机主要由处理器，存储器，输入/输出设备组成。

  • 处理器：控制计算机的操作，执行程序数据处理，只有一个处理器时，它通常指中央处理器 (CPU)
  • 内存：存储数据和程序，该类存储器是易失性的，即计算机关机时存储器的内容会丢失，而磁盘存储器在计算机关闭时不会丢失
  • 输入/输出模块：在计算机与外部环境之间移动数据

计算机指令

处理器执行的程序是由一组保存在存储器中的指令组成。最简单的指令处理包括两步：处理器从存储器中一次读取一条指令然后执行每条指令。程序的执行就是由不断重复的取指令和执行指令的过程组成的。处理器从存储器中读取一条指令，程序计数器（Program Counter) 保存下一次要读取的指令地址。

中断

中断通常是用于提高处理器效率的一种手段，多数IO设备远远慢于处理器，例如在使用打印机时，在每次写操作后处理器必须暂停并保持空闲，直到打印机设备完成工作，毫无疑问，暂停的这段时间对处理器来说是非常浪费的。下图展示了中断的几种分类：

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利用中断功能，处理器可以在I/O操作的执行过程中执行其他指令，中断打断了正常的执行顺序，中断处理完成后再恢复执行，用户程序不需要为中断添加任何处理的代码，处理器和操作系统负责挂起用户程序，然后在同一个地方恢复执行。

高速缓存

处理器读取指令时至少要访问一次存储器，而且通常需要多次访问存储器用于保存程序执行结果，处理器执行指令的速度显然受到存储器读写速度的影响，而处理器速度远远超过存储器，处理器与内存速度的不匹配已经成为很严重的问题。理想状态下，内存的构造技术使用与处理器中寄存器相同的构造技术，这样的话内存的速度与处理器差不多，但是成本过于昂贵。解决办法时利用局部性原理，在处理器和内存之间提供一个容量小且速度快的存储器，称为高速缓存。

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三级高速缓存结构如上图所示。2级缓存比1级缓存要慢但是2级缓存容量较大，而3级缓存比2级缓存慢而容量要比2级缓存大。

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