程序设计的5个底层逻辑，决定你能走多快

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，今天董鹏为你一一揭秘。

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。

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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，不过他集成在 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。

下图展示了存储器的层次化架构，以及 CPU 访问主存的过程，这里有两个知识点，一个是多级缓存之间为保证数据的一致性，而推出的缓存一致性协议，具体可以参考这篇文章，另外一个知识点是， cache 和主存的映射，首先要明确的是 cahce 缓存的单位是缓存行，对应主存中的一个内存块，并不是一个变量，这个主要是因为 CPU 访问的空间局限性：被访问的某个存储单元，在一个较短时间内，很有可能再次被访问到，以及空间局限性：被访问的某个存储单元，在较短时间内，他的相邻存储单元也会被访问到。

而映射方式有很多种，类似于 cache 行号 = 主存块号 mod cache总行数 ，这样每次获取到一个主存地址，根据这个地址计算出在主存中的块号就可以计算出在 cache 中的行号。

下面我们接着聊 CPU 的指令执行。取址、译码、执行，这是一个指令的执行过程，所有指令都会严格按照这个顺序执行。但是多个指令之间其实是可以并行的，对于单核 CPU 来说，同一时刻只能有一条指令能够占有执行单元运行。这里说的执行是 CPU 指令处理 (取指，译码，执行) 三步骤中的第三步，也就是运算单元的计算任务。

所以为了提升 CPU 的指令处理速度，所以需要保证运算单元在执行前的准备工作都完成，这样运算单元就可以一直处于运算中，而刚刚的串行流程中，取指，解码的时候运算单元是空闲的，而且取指和解码如果没有命中高速缓存还需要从主存取，而主存的速度和 CPU 不在一个级别上，所以指令流水线 可以大大提高 CPU 的处理速度，下图是一个3级流水线的示例图，而现在的奔腾 CPU 都是32级流水线，具体做法就是将上面三个流程拆分的更细。

除了指令流水线， CPU 还有分支预测，乱序执行等优化速度的手段。好了，我们回到正题，一行 Java 代码是怎么执行的?

一行代码能够执行，必须要有可以执行的上下文环境，包括：指令寄存器、数据寄存器、栈空间等内存资源，然后这行代码必须作为一个执行流能够被操作系统的任务调度器识别，并给他分配 CPU 资源，当然这行代码所代表的指令必须是 CPU 可以解码识别的，所以一行 Java 代码必须被解释成对应的 CPU 指令才能执行。下面我们看下System.out.println("Hello world")这行代码的转译过程。

Java 是一门高级语言，这类语言不能直接运行在硬件上，必须运行在能够识别 Java 语言特性的虚拟机上，而 Java 代码必须通过 Java 编译器将其转换成虚拟机所能识别的指令序列，也称为 Java 字节码，之所以称为字节码是因为 Java 字节码的操作指令(OpCode)被固定为一个字节，以下为 System.out.println("Hello world") 编译后的字节码：

0x00:  b2 00 02         getstatic  Java .lang.System.out 

0x03:  12 03            ldc "Hello， World!" 

0x05:  b6 00 04         invokevirtual  Java .io.PrintStream.println 

0x08:  b1               return 

最左列是偏移;中间列是给虚拟机读的字节码;最右列是高级语言的代码，下面是通过汇编语言转换成的机器指令，中间是机器码，第三列为对应的机器指令，最后一列是对应的汇编代码：

0x00:  55                    push   rbp 

0x01:  48 89 e5              mov    rbp，rsp 

0x04:  48 83 ec 10           sub    rsp，0x10 

0x08:  48 8d 3d 3b 00 00 00  lea    rdi，[rip+0x3b] 

（编辑：晋中站长网）

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