计算机系统
1.计算机体系层次
2.计算机硬件
计算机5大基本部件：运算器、控制器（运算器和控制器都在CPU内部）、存储器、输入设备、输出设备，设备之间通过总线进行连接。
计算机总线按照其功能主要分为3种：
数据总线：传输指令和数据信息
地址总线：传输地址信息，一般是存放数据的内存地址
控制总线：传输控制信号和时钟信号
通常讲32位或64位机，是指其地址总线位数是32位或64位。32位地址总线，其最大内存寻址空间位2^32，1024✖1024✖1024✖4=4GB。计算机主板上并不是全都有这3种总线，CPU通过控制器可以控制当前总线是什么功能。
各部件性能：CPU（寄存器）>一级缓存>二级缓存>三级缓存>内存>SSD硬盘>机械硬盘，一般每一颗核心都有自己的一级，二级缓存，各核心共享三级缓存。衡量一个CPU性能，不光看工作频率，缓存也是非常重要的指标。两颗相同频率，一级，二级缓存不同的CPU在造价上是有天壤之别。
2.1 CPU
CPU的执行指令大致分为3步骤：从内存中取指令、解码指令、执行指令，与之对应在CPU上分为3个单元：取指单元、解码单元、执行单元。为了实现高性能，这些单元都不止一个。
CPU内部有保存关键变量和临时数据的存储器，称为寄存器。寄存器性能很高，和CPU工作频率相当，在CPU内部总线上完成数据操作。
2.1.1 CPU与多线程
2.1.2 CPU缓存
CPU的寄存器的空间很小，而且主要用来存放程序执行中产生的临时数据，所以CPU不得不借助内存来存放程序指令，但是内存的运行速度低于CPU，造成二者之间运行不协调，CPU需要为内存等待多个时钟周期，造成了CPU性能浪费，这种情况下在CPU和内存之间加入中间层来解决。理论依据是程序的局部性原理：1、空间局部性，指一个指令或数据被访问到，它附近的数据也可能会被访问；2、时间局部性，指一个指令或数据被访问执行之后，可能会被再次访问到。正是局部性原理的存在，导致了CPU可以使用缓存来存放这些数据，所以在CPU上出现了一级、二级、三级缓存，这大大提高了程序的执行速度。内存是以时间换空间，增加了存储能力，但消耗了CPU时钟；而缓存是以空间换时间，通过增加存储来换取程序更快的执行时间。
2.1.3 NUMA结构
2.1.4 通写与回写
CPU只能操作寄存器的数据，如果寄存器中没有，需要从缓存，或者内存甚至IO设备上获取。数据修改后，写入到内存才认为是修改完成。为了保证尽快写到内存，通常有2中策略：通写（write through）和回写（write back）。
通写，将数据依次从一级、二级、三级缓存，最终写到内存。整个过程由CPU控制，CPU不能做别的事情。
回写，数据写入一级缓存，便告诉CPU写入完成，CPU可以去做别的事情。
通写数据可靠性高，回写性能高。按需选择，没有绝对的统一法则。
事实上，硬盘存储也遵循通写与回写策略。硬盘回写，是由内核控制将内存中的数据移动到硬盘缓存，便认为写入完成；后续由硬盘控制器将缓存中的数据移动到硬盘自身。硬盘通写，内核控制将数据写入到硬盘缓存，再写到硬盘，才认为写入完成。
2.1.5 用户态与内核态
用户开发的应用程序都是工作在操作系统之上的，不属于操作系统内部。系统内核之上的空间称为用户空间（用户态），内核自身称为内核空间（内核态）。不论用户程序还是内核指令，执行时加载到CPU然后运行。CPU在生产过程中，研制人员开发了CPU能够执行的众多指令，这些CPU支持的所有指令的集合称为CPU的指令集。CPU的指令主要分为4个层次，即环0、环1、环2、环3，每个环对应了不同层次的指令。以Intel的X86指令架构CPU为例，主要使用环0和环3两个层次，环3上是用户可以执行的指令，相当于用户空间；环0上为特权指令，相当于内核空间用户不能直接操作。例如操作硬件，这是个特权操作，用户不可以执行，必须向内核申请，即发起系统调用，由内核执行，完成后将结果返回给用户程序。对于计算机的所有特权操作都必须由内核承担，内核最重要的一个功能就是管理硬件资源。
程序员编写的代码其实就是一条条指令构成，程序代码在执行过程中，如果这条指令用户自身有权限去执行，则可以直接执行。如果需要执行特权指令，只能由内核执行，用户没有权限执行；此时要向内核发起系统调用，内核执行系统调用的代码，完成后将执行结果返回给执行的程序，然后再继续执行后面的指令。内核在运行系统调用代码时，程序是处在等待状态。执行系统调用时，程序工作在内核空间（内核态）；运行用户可以执行的指令时，程序工作在用户空间（用户态）。
应用程序在工作过程中，就是不断在用户态和内核态之间做模式切换，需要执行特权命令就发起系统调用，陷入内核态，当内核执行系统调用完毕后再返回用户态。所以内核或者系统调用并不直接发挥生产力，它更多是在底层提供支撑，帮助用户完成其特定功能，只有用户自己的程序才具有生产力，才能真正实现用户自己的目标。 一个有效率的程序，它不应该浪费太多时间在系统调用。一般CPU应该至少有70%的时间在执行用户代码（即工作在用户态），不多于30%的时间用来执行系统调用（工作在内核态）。
2.1.6 保护现场与恢复现场
CPU是通过给不同的程序分配时间片（time slice）来完成多任务运行，给每一个程序分配独立的时间片。在执行过程中，很产生很多中间状态数据，例如执行到第几条指令，接下来CPU该去取第几条指令，这些数据存放在CPU的指令指针寄存器中。如果此时发生了进程切换，寄存器的数据就会被新的进程所覆盖，等到下次再执行相同程序时又得从头再来，这是所不能接受的。所以一旦程序在一个时间片内没有办法执行完毕，CPU需要把程序执行的中间状态的数据保存起来，例如当前运行到哪个指令，在内存中取数据取到哪个地址，这称为保存现场。保存完成后，在下一个时间片执行另一个进程。当重新恢复执行当前进程时，需要把保存的中间数据装载到CPU中，称为恢复现场。保存和恢复现场需要执行内核代码完成（即工作在内核空间，所以也会消耗CPU时间），CPU中断一个进程的执行转而去执行另一个进程又称为上下文切换context switch。保存现场的数据存放在内存中，内核为每一个进程创建一个结构体的数据结构进行存放，称为任务结构体task struct，这里面存放了进程的各种信息，例如PID号、进程状态、父子进程关系、优先级、虚拟内存、程序计数器、CPU使用时间等等，当然也包含进程执行的中间状态数据。
2.2 内存
共享库文件通常是系统下lib或lib64中的.so文件，为了节约空间，只在内存中装入一份
2.3 输入输出IO
同步和异步是站在被调用者的角度，关心如何将结果返回给调用者 阻塞和非阻塞是站在被调用者的角度，关心在调用结果返回之前，调用者处于什么状态
以一次磁盘read操作为例，当用户进程发起IO请求后，分为2个过程。内核收到请求，将数据从磁盘拷贝到内核内存当中；进程不可能访问内核内存，所以第二步是数据从内核内存拷贝到进程内存。真正被称为IO的步骤是数据从内核内存到进程内存。
nginx设计之初就采用基于事件驱动IO，边缘触发，同时支持异步IO，所以性能很高。httpd在2.4版本后也开始支持event事件驱动IO模型
3. 操作系统的抽象
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