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写了多年代码，你却不知道的程序设计的5个底层逻辑( 二 )

程序设计


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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.out0x03: 12 03 ldc "Hello， World!"0x05: b6 00 04 invokevirtual Java .io.PrintStream.println0x08: 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 rbp0x01: 48 89 e5 mov rbp，rsp0x04: 48 83 ec 10 sub rsp，0x100x08: 48 8d 3d 3b 00 00 00 lea rdi，[rip+0x3b] ; 加载 "Hello， World!n"0x0f: c7 45 fc 00 00 00 00 mov Dword PTR [rbp-0x4]，0x00x16: b0 00 mov al，0x00x18: e8 0d 00 00 00 call 0x12 ; 调用 printf 方法0x1d: 31 c9 xor ecx，ecx0x1f: 89 45 f8 mov DWORD PTR [rbp-0x8]，eax0x22: 89 c8 mov eax，ecx0x24: 48 83 c4 10 add rsp，0x100x28: 5d pop rbp0x29: c3 retJVM 通过类加载器加载 class 文件里的字节码后，会通过解释器解释成汇编指令，最终再转译成 CPU 可以识别的机器指令，解释器是软件来实现的，主要是为了实现同一份 Java 字节码可以在不同的硬件平台上运行，而将汇编指令转换成机器指令由硬件直接实现，这一步速度是很快的，当然 JVM 为了提高运行效率也可以将某些热点代码（一个方法内的代码）一次全部编译成机器指令后然后在执行，也就是和解释执行对应的即时编译（JIT）， JVM 启动的时候可以通过 -Xint 和 -Xcomp 来控制执行模式 。
从软件层面上， class 文件被加载进虚拟机后，类信息会存放在方法区，在实际运行的时候会执行方法区中的代码，在 JVM 中所有的线程共享堆内存和方法区，而每个线程有自己独立的 Java 方法栈，本地方法栈（面向 native 方法），PC寄存器（存放线程执行位置），当调用一个方法的时候， Java 虚拟机会在当前线程对应的方法栈中压入一个栈帧，用来存放 Java 字节码操作数以及局部变量，这个方法执行完会弹出栈帧，一个线程会连续执行多个方法，对应不同的栈帧的压入和弹出，压入栈帧后就是 JVM 解释执行的过程了 。

写了多年代码，你却不知道的程序设计的5个底层逻辑

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中断
刚刚说到， CPU 只要一上电就像一个永动机， 不停的取指令，运算，周而复始，而中断便是操作系统的灵魂，故名思议，中断就是打断 CPU 的执行过程，转而去做点别的 。
例如系统执行期间发生了致命错误，需要结束执行，例如用户程序调用了一个系统调用的方法，例如mmp等，就会通过中断让 CPU 切换上下文，转到内核空间，例如一个等待用户输入的程序正在阻塞，而当用户通过键盘完成输入，内核数据已经准备好后，就会发一个中断信号，唤醒用户程序把数据从内核取走，不然内核可能会数据溢出，当磁盘报了一个致命异常，也会通过中断通知 CPU ，定时器完成时钟滴答也会发时钟中断通知 CPU。
中断的种类，我们这里就不做细分了，中断有点类似于我们经常说的事件驱动编程，而这个事件通知机制是怎么实现的呢，硬件中断的实现通过一个导线和 CPU 相连来传输中断信号，软件上会有特定的指令，例如执行系统调用创建线程的指令，而 CPU 每执行完一个指令，就会检查中断寄存器中是否有中断，如果有就取出然后执行该中断对应的处理程序 。
陷入内核 : 我们在设计软件的时候，会考虑程序上下文切换的频率，频率太高肯定会影响程序执行性能，而陷入内核是针对 CPU 而言的， CPU 的执行从用户态转向内核态，以前是用户程序在使用 CPU ，现在是内核程序在使用 CPU ，这种切换是通过系统调用产生的 。


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