阅读本文大约需要 13 分钟。 这篇文章我想和你聊一聊「时间」这个话题。 时间总是在不经意间流逝，我们在写代码时，也经常会调用「时间 API」，你有思考过这背后的原理吗？ 关于时间的问题还有很多，例如： 为什么计算机的时间有时候「走不准」？ 计算机究竟是怎么「自动校准」时间的？ 我们经常看到的 UTC 时间，到底是什么？ 我们在新闻上看到的「北京时间」，真的来自北京吗？ 这篇文章，我们就来揭秘时间背后的秘密。 这篇文章非常有意思，希望你可以耐心读完。 时间为什么总是走“不准”？ 你肯定遇到过这样的场景，家里买了一个钟表，时间一长，就会发现它走得「不准」了。 又或者，一台长时间不使用的电脑，它的时间也会发生偏差。 遇到这些情况，你可能会不以为然。时间不准，那我们就「人工」调准它。 但你有没有停下来想一想，为什么它们的时间会越走越不准呢？ 要回答这个问题其实不难，我们只需要搞清楚，它们的时间是怎么来的。 钟表和计算机内部都有一个叫做「晶体振荡器」的东西，给它加上电压，它就会以固定的频率振动。但这个振动频率的「稳定性」，取决于它的制造工艺，以及外界环境的影响。 出于成本的考虑，钟表的制作工艺没那么高，所以它更容易有误差。而电脑制造工艺虽然比较高，但它内部的晶体振荡器也会受到「温度」变化带来的影响，在工作过程中，也会有产生误差。 虽然它们的误差很小，但日积月累下来，误差就越来越明显。 因此，我们现在使用的计算机，都有「自动校准」时间的功能。但是如何校准呢？ 如何校准时间？ 很简单，只要你把电脑连上了「网络」，你会发现，它会自动与「网络时间」保持同步。 可问题是，这个「网络时间」哪儿来的？ 我猜你大脑的第一反应是，每台电脑肯定配置了一个「时间服务器」，之后这台电脑会与服务器定时同步，自动校准。 没错，确实是这样，不光是电脑，我们平时使用的手机、平板、智能手表等电子设备，只要能连接网络，都会自动同步网络时间。 那继续追问，这个「时间服务器」的时间就一定是准的吗？ 理论来讲，它应该也是一台计算机，难道它不会遇到我们前面说的问题吗？ 此外，这个网络时间究竟是怎么「同步」到我们的电脑上的？ 你可能会说，那肯定是通过网络数据包。 问题又来了，网络传输数据也是有「延迟」的，同步服务器时间，不还是存在误差吗？ 环环相扣，像一个俄罗斯套娃，很难解释清楚。 要想彻底搞清楚这些问题，就要深入到时间的「源头」来寻找答案。 时间是怎么来的？ 时间是一个非常抽象的概念，多少年来，吸引着无数科学家、物理学家、甚至哲学家花费毕生精力去解释时间的本质是什么，从宇宙大爆炸到时空相对论，从黑洞到量子力学，都能看到关于时间这个问题的身影。 这里我们不探讨高深莫测的学术知识，只把目光放聚焦在计算机这个很小的范畴内。但要想清楚解释这个问题，也并非想的那么简单。 我们从最简单的开始说起。 想要知道时间是怎么被定义的，首先要知道「天」是怎么来的？ 答案是：观察太阳。 由于地球的「自转」，人们可以看到日出日落，人们日出而作，日落而息，所以就把这一周期现象定义为「天」。 地球除了自转，还在围绕太阳公转，所以公转一周就被定义为一「年」。 从这些现象就能看出来，很早之前的人们，是以「天文现象」来确定时间的。 再后来，人们为了把时间定义得更「精确」，就把一天平均划分为 24 等份，这就是「时」。 同样地，把 1 小时划分 60「分钟」，1 分钟划分为 60「秒」。… Continue reading 计算机时间到底是怎么来的？
Category: 操作系统
CPU到底如何切换线程的？
计算机系统中有很多程序员习以为常但又十分神秘的存在：函数调用、系统调用、进程切换、线程切换以及中断处理。 函数调用能让程序员提高代码可复用性，系统调用能让程序员向操作系统发起请求，进程线程切换让多任务成为可能，中断处理能让操作系统管理外部设备。 这些机制是计算机系统中的基石，可是你知道这些机制是如何实现的吗？ 这篇文章将告诉你答案，其背后的实现如此优雅且一致。 速度与激。。寄存器 你有没有想过，CPU为什么需要寄存器？ 原因很简单：速度。 通常CPU可以在一个时钟周期内访问一次寄存器，CPU访问内存的速度大概要比访问寄存器慢100倍左右。 因此如果CPU没有寄存器而完全依赖内存的话，那么计算速度将比现在慢的多。 作为程序员来说，当我们使用高级语言编写的程序时，其操作的数据都存放在内存中，而对于负责运算类的机器指令来说其操作的数据都存放在寄存器中。 实际上寄存器和内存没有什么本质的区别，都是用来存储信息的。 当然，除了临时保存中间计算结果之外，还有很多有趣的寄存器。根据用途，寄存器有很多类型，但是，我们感兴趣的有以下几种寄存器。 栈寄存器：Stack Pointer 函数在运行时都有一个运行时栈，对于栈来说最重要的信息就是栈顶，栈顶信息就保存在栈寄存器中，stack pointer，通过该寄存器就能跟踪函数的调用栈。 最为程序员我们知道，函数在运行时会有一块独立的内存空间，用来保存函数内定义的局部变量、传递的参数以及返回值信息等，这块独立的内存空间就叫栈帧，随着函数调用层次的加深，栈帧也随之增加；当函数调用完成后栈帧由按照相反的顺序依次减少，这些栈帧就构成了栈区。 函数的运行时栈信息是关于程序运行状态最重要的信息之一。 那么其它的之一呢？ 指令地址寄存器：Program Counter 这类寄存器的名称比较多，基于历史原因，大部分将其称为Program Counter，PC，即我们熟悉的程序计数器；在x86下则被称为Instruction Pointer，IP，怎么称呼不重要，重要的是理解其作用。在本文中统一将其称为PC寄存器。 我们都知道，程序员用高级语言编写的程序最终通过编译器生成最终的机器指令，那么一个问题就是在茫茫的机器指令海洋中，CPU怎么知道该去执行哪条机器指令呢？ 原来，奥秘就藏在指令地址寄存器中。 程序在启动时会把机器指令的首地址写入到PC寄存器中，这样CPU需要做的就是根据PC寄存器中的地址去内存中取出指令。 通常来说，指令都是顺序执行的，也就是说PC寄存器中的值不断的+1，但对于一些涉及控制转移的机器指令来说，这些指令会把一个新的指令地址放到PC寄存器中，这包括分支跳转——也就是if语句、函数调用以及返回等。 控制了CPU的PC寄存器就掌握了CPU的航向，机器指令自己会根据执行状态指挥CPU接下来该去执行哪些指令，这才是真正的自动驾驶，非常amazing有没有！ 指令地址寄存器是关于程序运行时状态另一个最重要的信息之一。 状态寄存器：Status Register CPU内部除了上述两类寄存器外，还有一类状态寄存器，Status Register；在x86架构下被称为FLAGS register，ARM架构下被称为application program status register，以下统称状态寄存器。 从名字也能看出来，该寄存器是保存状态信息的，有什么有趣的状态信息呢？ 比如对于涉及到算术运算的指令来说，其在执行过程中可能会产生进位，也可能会溢出，那么这些信息就保存在状态寄存器中。 除此之外，你肯定听说过程序的执行一般有两种模式：内核态和用户态。 对于大部分的程序员其编写的应用程序运行在用户态，在用户态下不能执行特权指令，比如你没办法写一个程序直接去控制系统中的各种硬件资源。 而在内核态下，CPU可以执行任意的特权指令，内核就工作在内核态，因此内核可以掌控一切。关于用户态内核态完整的阐述参见博主深入理解操作系统第2章，关注公众号码农的荒岛求生并回复操作系统即可。 那么我们怎么知道当前程序运行在哪种状态呢？ 答案就在CPU内部的状态寄存器中，该寄存器中有特定的比特位来标记当前CPU正工作在哪种模式下。 现在你应该知道寄存器的重要作用了吧。 上下文：Context 通过这些寄存器，你可以知道程序运行到当前这一刻时最细粒度的切面，这一时刻这些寄存器中保存的所有信息就是我们通常所说的上下文，context。 上下文的作用是什么呢？ 只要你能拿到一个程序运行时的上下文并保存起来，那么你可以随时暂停该程序的运行，也可以随时利用该信息恢复该程序的运行。 为什么要保存和恢复上下文信息呢？原因就在于CPU的个数是有限的，这就意味一个CPU可能会执行多个进程，即这些进程要共享该CPU资源，更具体的是CPU的计算资源和这里所说的各种寄存器。 这是实现函数调用、系统调用、进程切换、线程切换以及中断处理的基本机制。 而程序在运行过程中逃不出函数调用、系统调用、进程切换、线程切换以及中断处理这几项操作，由此可见上下文信息的保存和恢复在计算机科学中重要的作用。 那么上下文信息又该如何保存呢？保存到哪里呢？又该怎么恢复呢？函数调用、系统调用、进程切换、线程切换以及中断处理又是怎样实现的呢？… Continue reading CPU到底如何切换线程的？
带你深入理解内存对齐最底层原理
相信绝大多数的人都了解内存对齐，对齐后性能高。但是其最最底层的原理是啥呢？ 有的人可能会说，因为高速缓存的工作机制。读者你很聪明，这是原因之一。但我今天想挖的是更底层一点的原理，让我们去内存的物理构成里找找答案！ 内存物理结构 我们来了解一下内存的物理构造，一般内存的外形图片如下图： 图1 内存外形图 一个内存是由若干个黑色的内存颗粒构成的。每一个内存颗粒叫做一个chip。每个chip内部，是由8个bank组成的。其构造如下图： 图2 chip内部构成 而每一个bank是一个二维平面上的矩阵，前面文章中我们说到过。矩阵中每一个元素中都是保存了1个字节，也就是8个bit。 图3 bank内部构成 内存编址方式 那么对于我们在应用程序中内存中地址连续的8个字节,例如0x0000-0x0007，是从位于bank上的呢？直观感觉，应该是在第一个bank上吗？其实不是的，程序员视角看起来连续的地址0x0000-0x0007，实际上是位于8个bank中的，每一个bank只保存了一个字节。在物理上，他们并不连续。下图很好地阐述了实际情况。 图4 连续8字节在内存中实际分布 你可能想知道这是为什么，原因是电路工作效率。内存中的8个bank是可以并行工作的。如果你想读取地址0x0000-0x0007，每个bank工作一次，拼起来就是你要的数据，IO效率会比较高。但要存在一个bank里，那这个bank只能自己干活。只能串行进行读取，需要读8次，这样速度会慢很多。 结论 所以，内存对齐最最底层的原因是内存的IO是以8个字节64bit为单位进行的。 对于64位数据宽度的内存，假如cpu也是64位的cpu（现在的计算机基本都是这样的），每次内存IO获取数据都是从同行同列的8个bank中各自读取一个字节拼起来的。从内存的0地址开始，0-7字节的数据可以一次IO读取出来，8-15字节的数据也可以一次读取出来。 换个例子，假如你指定要获取的是0x0001-0x0008，也是8字节，但是不是0开头的，内存需要怎么工作呢？没有好办法，内存只好先工作一次把0x0000-0x0007取出来，然后再把0x0008-0x0015取出来，把两次的结果都返回给你。CPU和内存IO的硬件限制导致没办法一次跨在两个数据宽度中间进行IO。这样你的应用程序就会变慢，算是计算机因为你不懂内存对齐而给你的一点点惩罚。 扩展1：事实上，编译和链接器会自动替开发者对齐内存的，尽量帮你保证一个变量不跨列寻址。但是他不能做到十分完美。 扩展2：其实在内存硬件层上，还有操作系统层。操作系统还管理了CPU的一级、二级、三级缓存。不知道你有没有印象，我们前面的文章说过高速缓存里的Cache Line是64字节，它是内存IO单位的8倍，不会让内存IO浪费。