cpu缓存
如果数据写入 Cache 之后,内存与 Cache 相对应的数据将会不同,这种情况下 Cache 和内存数据都不一致了,于是我们肯定是要把 Cache 中的数据同步到内存里的。
写直达
保持内存与 Cache 一致性最简单的方式是,把数据同时写入内存和 Cache 中,这种方法称为写直达(Write Through)。
如果数据已经在 Cache 里面,先将数据更新到 Cache 里面,再写入到内存里面;
如果数据没有在 Cache 里面,就直接把数据更新到内存里面。
写回
为什么缓存没命中时,还要定位 Cache Block?这是因为此时是要判断数据即将写入到 cache block 里的位置,是否被「其他数据」占用了此位置,如果这个「其他数据」是脏数据,那么就要帮忙把它写回到内存。
在多核心的 CPU 里,每个核心都有各自的 L1/L2 Cache,而 L3 Cache 是所有核心共享使用的。
CPU 都是多核的,由于 L1/L2 Cache 是多个核心各自独有的,那么会带来多核心的缓存一致性(Cache Coherence) 的问题
要保证做到下面这 2 点:
第一点,某个 CPU 核心里的 Cache 数据更新时,必须要传播到其他核心的 Cache,这个称为写传播(Write Propagation);
第二点,某个 CPU 核心里对数据的操作顺序,必须在其他核心看起来顺序是一样的,这个称为事务的串行化(Transaction Serialization)。
C 号核心先收到了 A 号核心更新数据的事件,再收到 B 号核心更新数据的事件,因此 C 号核心看到的变量 i 是先变成 100,后变成 200。
而如果 D 号核心收到的事件是反过来的,则 D 号核心看到的是变量 i 先变成 200,再变成 100,虽然是做到了写传播,但是各个 Cache 里面的数据还是不一致的。
保证 C 号核心和 D 号核心都能看到相同顺序的数据变化,比如变量 i 都是先变成 100,再变成 200,这样的过程就是事务的串行化。
要实现事务串行化,要做到 2 点:
CPU 核心对于 Cache 中数据的操作,需要同步给其他 CPU 核心;
要引入「锁」的概念,如果两个 CPU 核心里有相同数据的 Cache,那么对于这个 Cache 数据的更新,只有拿到了「锁」,才能进行对应的数据更新。
写传播的原则就是当某个 CPU 核心更新了 Cache 中的数据,要把该事件广播通知到其他核心。最常见实现的方式是总线嗅探(Bus Snooping)。
总线嗅探只是保证了某个 CPU 核心的 Cache 更新数据这个事件能被其他 CPU 核心知道,但是并不能保证事务串行化。
基于总线嗅探机制实现了事务串行化,也用状态机机制降低了总线带宽压力,这个协议就是 MESI 协议,这个协议就做到了 CPU 缓存一致性。
MESI 协议其实是 4 个状态单词的开头字母缩写,分别是:
Modified,已修改
Exclusive,独占
Shared,共享
Invalidated,已失效
「已修改」状态就是我们前面提到的脏标记,代表该 Cache Block 上的数据已经被更新过,但是还没有写到内存里。而「已失效」状态,表示的是这个 Cache Block 里的数据已经失效了,不可以读取该状态的数据。
「独占」和「共享」状态都代表 Cache Block 里的数据是干净的,也就是说,这个时候 Cache Block 里的数据和内存里面的数据是一致性的。
「独占」和「共享」的差别在于,独占状态的时候,数据只存储在一个 CPU 核心的 Cache 里,而其他 CPU 核心的 Cache 没有该数据。
在「独占」状态下的数据,如果有其他核心从内存读取了相同的数据到各自的 Cache ,那么这个时候,独占状态下的数据就会变成共享状态。
「共享」状态代表着相同的数据在多个 CPU 核心的 Cache 里都有,所以当我们要更新 Cache 里面的数据的时候,不能直接修改,而是要先向所有的其他 CPU 核心广播一个请求,要求先把其他核心的 Cache 中对应的 Cache Line 标记为「无效」状态,然后再更新当前 Cache 里面的数据。
例子
当 A 号 CPU 核心从内存读取变量 i 的值,数据被缓存在 A 号 CPU 核心自己的 Cache 里面,此时其他 CPU 核心的 Cache 没有缓存该数据,于是标记 Cache Line 状态为「独占」,此时其 Cache 中的数据与内存是一致的;
然后 B 号 CPU 核心也从内存读取了变量 i 的值,此时会发送消息给其他 CPU 核心,由于 A 号 CPU 核心已经缓存了该数据,所以会把数据返回给 B 号 CPU 核心。在这个时候, A 和 B 核心缓存了相同的数据,Cache Line 的状态就会变成「共享」,并且其 Cache 中的数据与内存也是一致的;
当 A 号 CPU 核心要修改 Cache 中 i 变量的值,发现数据对应的 Cache Line 的状态是共享状态,则要向所有的其他 CPU 核心广播一个请求,要求先把其他核心的 Cache 中对应的 Cache Line 标记为「无效」状态,然后 A 号 CPU 核心才更新 Cache 里面的数据,同时标记 Cache Line 为「已修改」状态,此时 Cache 中的数据就与内存不一致了。
如果 A 号 CPU 核心「继续」修改 Cache 中 i 变量的值,由于此时的 Cache Line 是「已修改」状态,因此不需要给其他 CPU 核心发送消息,直接更新数据即可。
如果 A 号 CPU 核心的 Cache 里的 i 变量对应的 Cache Line 要被「替换」,发现 Cache Line 状态是「已修改」状态,就会在替换前先把数据同步到内存。
小数
乘 2 取整法,将十进制中的小数部分乘以 2 作为二进制的一位,然后继续取小数部分乘以 2 作为下一位,直到不存在小数为止。
进程
运行状态(Running):该时刻进程占用 CPU;
就绪状态(Ready):可运行,由于其他进程处于运行状态而暂时停止运行;
阻塞状态(Blocked):该进程正在等待某一事件发生(如等待输入/输出操作的完成)而暂时停止运行,这时,即使给它CPU控制权,它也无法运行;
当然,进程还有另外两个基本状态:
创建状态(new):进程正在被创建时的状态;
结束状态(Exit):进程正在从系统中消失时的状态;
NULL -> 创建状态:一个新进程被创建时的第一个状态;
创建状态 -> 就绪状态:当进程被创建完成并初始化后,一切就绪准备运行时,变为就绪状态,这个过程是很快的;
就绪态 -> 运行状态:处于就绪状态的进程被操作系统的进程调度器选中后,就分配给 CPU 正式运行该进程;
运行状态 -> 结束状态:当进程已经运行完成或出错时,会被操作系统作结束状态处理;
运行状态 -> 就绪状态:处于运行状态的进程在运行过程中,由于分配给它的运行时间片用完,操作系统会把该进程变为就绪态,接着从就绪态选中另外一个进程运行;
运行状态 -> 阻塞状态:当进程请求某个事件且必须等待时,例如请求 I/O 事件;
阻塞状态 -> 就绪状态:当进程要等待的事件完成时,它从阻塞状态变到就绪状态;
线程
同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源,但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈,这样可以确保线程的控制流是相对独立的。
线程与进程最大的区别在于:线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。
所以,所谓操作系统的任务调度,实际上的调度对象是线程,而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。
当进程拥有多个线程时,这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源,这些资源在上下文切换时是不需要修改的;