從今天開始看《并發(fā)編程的藝術(shù)》，然后留下學(xué)習(xí)的筆記，是學(xué)習(xí)，是提問，是散發(fā)思維，是形成自己的知識體系。抱著學(xué)習(xí)研究的態(tài)度，去學(xué)習(xí)這本書，去深挖一門技術(shù)?？赐暌槐?，還有一遍，如此反復(fù)。發(fā)布出來是因為，技術(shù)需要交流，如果我有寫錯的地方，希望朋友們可以狠狠批評，我認真改過。好，廢話不多說，馬上開始頭腦風(fēng)暴。
上下文切換，時間片，線程調(diào)度算法
1 什么是上下文切換，上下文切換的原理是什么？
1.1 cpu調(diào)度算法干了什么？
在操作系統(tǒng)層面，有一個概念叫模式切換，從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)，或者從內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)。一般上下文切換指的是進程上下文切換，或者線程上下文切換。因為進程運行過程當(dāng)中，會產(chǎn)生，局部變量，進程的方法棧，當(dāng)cpu調(diào)度系統(tǒng)，從一個時間片切換到另一個有效的時間片時，會保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)（上下文數(shù)據(jù)），局部變量表，程序運行到哪一行，進入PC（程序計數(shù)器）等一些數(shù)據(jù)到內(nèi)核進程的堆棧中。 實際上，是因為cpu內(nèi)部有一個計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器倒計時到0，那么代表時間片用完了，這個時候，會產(chǎn)生一個中斷去觸發(fā)，cpu調(diào)度算法，去重新分配時間片給在就緒隊列中的進程。如此循環(huán)往復(fù)。
1.2 CPU內(nèi)部的MMU干了什么？
1.2.1首先MMU的主要功能是什么？
- 地址轉(zhuǎn)換
- 權(quán)限管理
- 交換分區(qū)
首先引入兩個概念，虛擬地址(VA)和物理地址(Virtual Address , Physical Address)。如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啟用，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址將直接傳到芯片引腳上，被內(nèi)存芯片（以下稱為物理內(nèi)存，以便與虛擬內(nèi)存區(qū)分）接收，這稱為物理地址（Physical Address，以下簡稱PA）如果處理器啟用了MMU，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的虛擬地址將被MMU映射轉(zhuǎn)換成PA。那么中間肯定有一個像對照表一樣的東西，從VA到PA。如果是32位處理器，那么他的地址總線是32位的，那么代表他的尋址能力是4G。但是實際上，這個表是存在于CPU內(nèi)部一個叫TLB（Translation Lookaside Buffer 一般叫頁表緩存，這個是頁表緩存，就有命中hit和miss，在物理內(nèi)存的內(nèi)核區(qū)域還有完整的頁表）結(jié)構(gòu)如下圖所示：
image.png
那么他不可能是這么大的一個表，肯定空間不夠。那他如何尋址？
答案是通過將內(nèi)存分頁。通過頁幀號+頁內(nèi)偏移來尋址，一般32位處理器是一頁32KB。尋址方式 如下圖。
然后回到原先的問題，MMU干了什么？在進程切換的時候，這里他要清空一些TLB中的映射條目，因為從一個虛擬地址空間到另外一個地址空間。有些條目，已經(jīng)失效了。但是內(nèi)核進程由于被用戶進程鎖共享，一直在內(nèi)存的某個區(qū)域不動，所以這部分的話，不需要刷新。cpu緩存中的數(shù)據(jù)，也要被清空，設(shè)置為invaliad。這就導(dǎo)致，進程切換的時候，很多東西都是未命中，需要重新加載。切換時圖片如下所示：
2 疑問？
什么時候會觸發(fā)上下文切換？ （這里的疑問？？）是和進程一樣的吧，時間片到了我的猜測，只有在系統(tǒng)時鐘周期到了，或者由于中斷，陷入內(nèi)核態(tài)，才會觸發(fā)調(diào)度算法。
《并發(fā)編程的藝術(shù)》書中顯示：
多線程競爭鎖時，會引起上下文切換
3 如何減少上下文切換
- CAS，無鎖并發(fā)編程。
- CLH 隊列，采用
喚醒傳遞機制,避免大量線程同時喚醒，引起一個驚群效應(yīng) - 分段鎖，或者鎖的離散化 ，就像jdk1.7 的ConcurrentHashMap .采用更強的離散函數(shù)。
- 在一定量的任務(wù)前提下，合理使用線程池。使得在用的線程得到更大程度的利用。比如
工作竊取fork/join，線程的重復(fù)利用。雖然說本身并不能減少上下文切換，但是參數(shù)上下文切換的線程少了，那就間接的減少了上下文切換。 - 協(xié)程。
3.1 協(xié)程是什么？
線程不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化是誰來實現(xiàn)的呢？是JVM嗎？
并不是。JVM需要通過操作系統(tǒng)內(nèi)核中的TCB（Thread Control Block）模塊來改變線程的狀態(tài)，這一過程需要耗費一定的CPU資源。
多線程編程的耗性能操作：
- 同步鎖
- 線程的狀態(tài)切換
- 線程的上下文切換
但是，協(xié)程大大減少了上面所涉及的性能消耗。
協(xié)程，英文Coroutines，是一種比線程更加輕量級的存在。
協(xié)程不是被操作系統(tǒng)內(nèi)核所管理，而完全是由程序所控制（也就是在用戶態(tài)執(zhí)行）。
這樣帶來的好處就是性能得到了很大的提升，不會像線程切換那樣消耗資源。
3.2 協(xié)程的應(yīng)用
- Python語言
python可以通過 yield/send 的方式實現(xiàn)協(xié)程。在python 3.5以后，async/await 成為了更好的替代方案。 - Go語言
Go語言對協(xié)程的實現(xiàn)非常強大而簡潔，可以輕松創(chuàng)建成百上千個協(xié)程并發(fā)執(zhí)行。
