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肉眼看计算机是由CPU、内存、显示器这些硬件设备组成,但大部分人从事的是软件开发工作。计算机底层原理就是连通硬件和软件的桥梁,理解计算机底层原理才能在程序设计这条路上越走越快,越走越轻松。从操作系统层面去理解高级编程语言的执行过程,会发现好多软件设计都是同一种套路,很多语言特性都依赖于底层机制,dunsijiaoyu zz

当我们同时启动多个 JVM 执行:System.out.println(new Object()); 将会打印这个对象的 hashcode ,hashcode 默认为内存地址,后发现他们打印的都是 Java .lang.Object@4fca772d ,也就是多个进程返回的内存地址竟然是一样的。
通过上面的例子我们可以证明,linux中每个进程有单独的地址空间,在此之前,我们先了解下 CPU 是如何访问内存的?
假设我们现在还没有虚拟地址,只有物理地址,编译器在编译程序的时候,需要将高级语言转换成机器指令,那么 CPU 访问内存的时候必须一个地址,这个地址如果是一个的物理地址,那么程序就必须放在内存中的一个固定的地方,而且这个地址需要在编译的时候就要确认,大家应该想到这样有多坑了吧。
如果我要同时运行两个 offi word 程序,那么他们将操作同一块内存,那就乱套了,伟大的计算机前辈设计出,让 CPU 采用 段基址 + 段内偏移地址 的方式访问内存,其中段基地址在程序启动的时候确认,尽管这个段基地址还是的物理地址,但终究可以同时运行多个程序了, CPU 采用这种方式访问内存,就需要段基址寄存器和段内偏移地址寄存器来存储地址,终将两个地址相加送上地址总线。
而内存分段,相当于每个进程都会分配一个内存段,而且这个内存段需要是一块连续的空间,主存里维护着多个内存段,当某个进程需要更多内存,并且超出物理内存的时候,就需要将某个不常用的内存段换到硬盘上,等有充足内存的时候在从硬盘加载进来,也就是 swap 。每次交换都需要操作整个段的数据。
首先连续的地址空间是很宝贵的,例如一个 50M 的内存,在内存段之间有空隙的情况下,将无法支持 5 个需要 10M 内存才能运行的程序,如何才能让段内地址不连续呢? 答案是内存分页。
程序设计的5个底层逻辑,决定你能走多快
在保护模式下,每一个进程都有自己独立的地址空间,所以段基地址是固定的,只需要给出段内偏移地址就可以了,而这个偏移地址称为线性地址,线性地址是连续的,而内存分页将连续的线性地址和和分页后的物理地址相关联,这样逻辑上的连续线性地址可以对应不连续的物理地址。
物理地址空间可以被多个进程共享,而这个映射关系将通过页表( page table)进行维护。 标准页的尺寸一般为 4KB ,分页后,物理内存被分成若干个 4KB 的数据页,进程申请内存的时候,可以映射为多个 4KB 大小的物理内存,而应用程序读取数据的时候会以页为小单位,当需要和硬盘发生交换的时候也是以页为单位。
现代计算机多采用虚拟存储技术,虚拟存储让每个进程以为自己独占整个内存空间,其实这个虚拟空间是主存和磁盘的抽象,这样的好处是,每个进程拥有一致的虚拟地址空间,简化了内存管理,进程不需要和其他进程竞争内存空间。
因为他是独占的,也保护了各自进程不被其他进程破坏,另外,他把主存看成磁盘的一个缓存,主存中仅保存活动的程序段和数据段,当主存中不存在数据的时候发生缺页中断,然后从磁盘加载进来,当物理内存不足的时候会发生 swap 到磁盘。页表保存了虚拟地址和物理地址的映射,页表是一个数组,每个元素为一个页的映射关系,这个映射关系可能是和主存地址,也可能和磁盘,页表存储在主存,我们将存储在高速缓冲区 cache 中的页表称为快表 TLAB 。
程序设计的5个底层逻辑,决定你能走多快
装入位 表示对于页是否在主存,如果地址页每页表示,数据还在磁盘
存放位置 建立虚拟页和物理页的映射,用于地址转换,如果为null表示是一个未分配页
修改位 用来存储数据是否修改过
权限位 用来控制是否有读写权限
禁止缓存位 主要用来保证 cache 主存 磁盘的数据一致性

1.外人的眼光
一项工作体不体面都是外人说了算,很多外行人都一般地认为从事软件开发的人脑子都特别好使,这让很多开发人员听了,就算工作很苦,压力很大,还是觉得很值。
诚然,现在一些 IT 公司员工猝死的也让外界对这个行业的玩命程度肃然起敬,但是 IT 这个流行职业还是以其超赞的智商劳动和前沿的技术手段惊喜着每个人。累是累,但是 IT 人吃的都是智商做的饭,香!
2.高成就感
用自己的聪明才智赚钱,肯定是很欣慰的,况且从事的还是对很多人讲都讲不明白的高新技术。身为 IT 人,看着闯入人们生活的种种 IT 产品,那种通晓的沾沾自喜是很难有其他事物能够比拟的。
设想一下,你是淘宝网后台系统的开发人员,你看到别人在淘宝上买东西,你会很自豪。因为你通晓这个用来买卖东西平台的来龙去脉,了解整个业务流程,甚至还知道一些别人不知道的 bug 或窍门。此时,再看着他在电脑上一步一步按着你定下的规矩操作,内心的窃喜是不言而喻的。
就算很少会有人听你讲解这其中的奥妙,因为在他们看来这不过只是“茴香豆”的四种写法,但是身为 IT 人,感受那种真理掌握在少数人手里的感觉,妙不可言。

计算机的外部设备有鼠标、键盘、打印机、网卡等,通常我们将外部设备和和主存之间的信息传递称为 I/O 操作 , 按操作特性可以分为,输出型设备,输入型设备,存储设备。现代设备都采用通道方式和主存进行交互,通道是一个专门用来处理IO任务的设备, CPU 在处理主程序时遇到I/O请求,启动通道上选址的设备,一旦启动成功,通道开始控制设备进行操作,而 CPU 可以继续执行其他任务,I/O 操作完成后,通道发出 I/O 操作结束的中断,处理器转而处理 IO 结束后的。其他处理 IO 的方式,例如轮询、中断、DMA,在性能上都不见通道,这里就不介绍了。当然 Java 程序和外部设备通信也是通过系统调用完成,这里也不在继续深入了。
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