计算机核心概念

补码

我们先来看一个有趣的例子：

溢出128

在这里我们定义了一个signed char类型的数据，将其赋值为128，然后系统给我们一个警告，意思就是说它隐式地将数值给转换成了-128，这究竟是为什么呢？

其实在计算机中数值都是以补码的形式存储的：

正数的补码是其自身，负数的补码是其对应的正数的反码加1。

我们先看一下-42在计算机中是如何表示的：
它是先将其对象的正数42，0010 1010然后取反1101 0101，然后再加1，得到1101 0110。

我们知道signed char是占八位的。其存储范围是：0000 0000到1111 1111。那么128的补码还是128，其二进制表示为：1000 0000。但是这里有个问题，因为其类型是有符号的，所以最高位是符号位，也就是说这个数不能用来表示128了，那么它表示多少呢？我们就要看看它是谁的补码就是好了。我们先将1000 0000取反，然后的到0111 1111，加一得到1000 0000，再乘以-1,得到-128。如果不太明白，我我们可以将128变大，变成129：
溢出129

129为整数，其补码是其自身，1000 0001，又因为其最高位是符号位，所以其表示的是一个负数，它表示多少呢？先将其取反0111 1110，然后+1得到0111 1111，这时127，最后乘以-1得到-127。

switch语句为什么比if else快？

因为编译器在编译switch语句的时候会检查每个case常量，并且会创建出一个”跳转表”，这个表用来在表达式的基础上选择执行路径，其时间复杂度是O(1)，而if else的时间复杂度是O(n)，所以switch case要比if else快很多。

寄存器是什么？

寄存器是一种存储信息的硬件，它和内存一样可以用来存储，但是和内存不同的是，它的速度极其快（比RAM的主存要快得多，它还有一些辅助功能，它常常被用做软件和外设之间通信的桥梁，起到缓冲的作用，同时CPU中寄存器速度非常快，这就让经常需要用到的数据放到寄存器中，而不需要每次都从主存中去读取，从而提高了程序的执行速度。软件将信息写入寄存器，然后外设将信息从寄存器中读出去。如果外设有信息需要软件进行处理，那么它也需要先将信息放到寄存器中，然后有软件从中读取。寄存器的主要功能包括：

某些功能的配置和初始化，特别是在初始化阶段
缓存存储
不同种类的输入输出
状态报告，比如某个硬件的状态发生了变化

常见的寄存器包括：MAR(Memory Address Register)，这个寄存器主要用来存放下一条即将执行的指令，CPU根据MAR中指令的地址取出指令，然后放到MDR(Memory Data Register中，然后CIR(Current Instruction Regitster)将指令从MDR中拷贝一份。MBR(Memory Buffer Register)，用来存放要放入存储器的数据和从存储器中读出的数据。相关资料可以参考YouTube

CPU为什么需要三级缓存？

CPU和内存的速度不匹配是计算机领域的一个重要问题，如果内存中采用和CPU中相同型号的寄存器，那么其代价又会太高，并且根据局部性原理，这种需求是没有必要的。存储器的价格，速度，容量是人们考虑的主要因素，但是它们之间也存在这制约因素：速度越快，价格就越高；容量越大，价格越高；容量越大，速度越低。根据局部性原理(Principle of Locality)我们的程序中常用的数据又基本都是固定的。所以就在CPU和内存之间采用了三级缓存（它内部存储的）来提高获取数据的速度，如果数据能在L1，L2，L3中找到的话就直接从中取，如果没有再从内存取，如果内存没有，再从外存取，这样就会提高获取数据的速度。这里要注意每个处理器都有其自己的缓存区，最后他们共享一块内存，这就会造成数据不一致的严重问题。

上下文切换

在多任务执行的时候，上下文切换是指从一个线程或者进程切换到另外一个线程或者进程，这里的上下文是指：CPU寄存器和程序计数器中的内容。它的具体内容包含以下三个步骤：

挂起当前进程，将当前的CPU状态保存至内存
从内存中获取接下来将要执行进程的上下文，并且将其存入CPU寄存器中
返回程序计数器指定的位置（例如进程被终止的点）并且继续执行进程

这里的切换包含进程切换和线程切换两种情况，它们之间的相同点和不同点为：

一、进程切换

虚拟内存空间不能保持相同；调用操作系统内核；寄存器内容的切入切出和内核操作的转移是最消耗性能的；

二、线程切换

虚拟内存空间保持相同；调用操作系统内核；寄存器内容的切入切出和内核操作的转移是最消耗性能的；

这其中还有一个隐含的性能消耗点是：处理器缓存系统的失效。在虚拟内存空间切换的过程中会导致处理器的Translation Lookaside Buffer (TLB) 失效，这会造成很大的内存损耗。造成上下文切换的原因有：进程自动让出其时间片，或者调度器给它分配的时间片到了，或者硬件发生了中断操作，加锁，或者其它的软件操作也会造成上下文切换。上下文切换很消耗大量的CPU时间造成较大的性能损耗。

什么是线程？

线程是寄存器的一组状态，这组状态用来规定程序的执行顺序，执行地址，以及下条指令的地址。

什么是指令重排？

指令重排就是在执行程序的过程中，在确保不影响程序输出结果的情况下，为了提升性能，编译器和处理器对指令做的重排序：

ReSortInstruction

指令重排可以带来性能的提升，它在单线程的情况下是不会出问题的，这一点是由程序的顺序规则来保证的，如果是在多线程就会出现各种意想不到的问题。比如:


static int x = 0, y = 0;
static int a = 0, b = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{

    Thread one = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            a = 1;  // A1
            x = b;  // A2
        }
    });
    Thread two = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            b = 2;  //B1
            y = a;  //B2
        }
    });
    one.start();
    two.start();
    one.join();
    two.join();
    System.out.println("x =" + x + ";" + "y =" + y);
}

这段代码不仅可以输出：

1
2
3

x = 0 ; y = 1
x = 2 ; y = 0
x = 2 ; y = 1

但是在A1和A2，B1和B2重排序之后还可以输出：x = 0 ; y = 0的情况。

参考资料: