Java 与底层操作系统的交互细节

下层基础决定上层建筑，只有扎实的基础知识，熟练掌握底层原理，才能在技术道路上走的更远，更深。

Java 作为一门高级语言也一样，你了解什么是缓存伪共享么？你了解 RocketMQ 为提升文件读写速度做了哪些优化么？你知道为什么大家总建议线程池大小设置为 CPU 核心 * 2 ，这样合理么？

本场 Chat 将介绍以下内容

1. CPU 访问内存
2. 虚拟存储
3. 进程中断
4. 系统调用
5. Java 内存映射
6. Java 对象内存布局
7. Java 线程同步
8. Unsafe 类方法分析

结合 CPU 理解一行 Java 代码是怎么执行的

根据冯·诺依曼思想，计算机采用二进制作为数制基础，必须包含：运算器、控制器、存储设备，以及输入输出设备，如下图所示。

（该图来源于百度）

我们先来分析 CPU 的工作原理

现代 CPU 芯片中大都集成了：控制单元、运算单元、存储单元。控制单元是 CPU 的控制中心， CPU 需要通过它才知道下一步做什么，也就是执行什么指令，控制单元又包含：指令寄存器（IR ），指令译码器（ ID ）和操作控制器（ OC ）。

当程序被加载进内存后，指令就在内存中了，这个时候说的内存是独立于 CPU 外的主存设备，也就是 PC 机中的内存条。指令指针寄存器 IP 指向内存中下一条待执行指令的地址，控制单元根据 IP 寄存器的指向，将主存中的指令装载到指令寄存器。

这个指令寄存器也是一个存储设备，不过它集成在 CPU 内部，指令从主存到达 CPU 后只是一串 010101 的二进制串，还需要通过译码器解码，分析出 操作码是什么、操作数在哪。之后就是具体的运算单元进行算术运算（加减乘除）、逻辑运算（比较、位移）。

而 CPU 指令执行过程大致为：取址（去主存获取指令放到寄存器）、译码（从主存获取操作数放入高速缓存 L1 ）、执行（运算）。

这里解释下上图中 CPU 内部集成的存储单元 SRAM ，正好和主存中的 DRAM 对应，RAM 是随机访问内存，就是给一个地址就能访问到数据；而磁盘这种存储媒介必须顺序访问。

而 RAM 又分为动态和静态两种：静态 RAM 由于集成度较低，一般容量小、速度快；而动态 RAM 集成度较高，主要通过给电容充电和放电实现，速度没有静态 RAM 快。

所以一般将动态 RAM 做为主存，而静态 RAM 作为 CPU 和主存之间的高速缓存（Cache），用来屏蔽 CPU 和主存速度上的差异，也就是我们经常看到的 L1、L2 缓存。每一级别缓存速度变低，容量变大。