目錄

一，計算機是如何組成的

1.1，CPU中央處理單元

1.1.1，CPU的構成和屬性

1.1.2，如何判斷cpu的好壞

1.1.3，指令

1.1.4，CPU的緩存

1.2，操作系統

1.2.1，進程

1.2.2，PCB的核心屬性

1.2.3，內存分配-內存管理 和進程間通信

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一，計算機是如何組成的

在馮諾依曼的體系中，計算機由CPU，存儲器，輸入設備和輸出設備組成

1.1，CPU中央處理單元

1.1.1，CPU的構成和屬性

門電路=>半加器=>全加器=>加法器=>ALU運算器=>差不多構成CPU

這是電腦是計算機的屬性：

AMD指的是生產CPU的廠商，記住主要的廠商是intel 和 amd，它們生產的區別是intel的針腳長在主板上，amd的針腳長在CPU上

7840H是指這是標壓處理器，通過H這個后綴進行判斷，其中還有U系列，不同的字符代表不同的性能和功耗級別，U表示的是低壓CPU

3.80GHz表示的是CPU的主頻，也就是指CPU一秒鐘可以執行多少條指令，執行的每個次數，又被稱為時鐘周期

1.1.2，如何判斷cpu的好壞

判斷CPU的好壞有很多指標，但最關注的只有兩點：主頻 和 核心數

在打開任務管理器找到CPU的時候，可以看見CPU的數據：

其中3.32GHz和之前查看處理器的性能時的主頻不一樣，是因為cpu主頻都是在時刻改變的~~它會根據當前任務的負載程度，動態變化

3.32GHz就是指運行是當前的頻率，又被稱為睿頻

CPU的頻率是有上限的，不同的CPU上限不一樣，甚至有的CPU還可以超頻，給CPU吃更多的電，CPU就有更強的表現

內核指的就是CPU的核心數

其實最開始的時候cpu都是單個核心的(核心可以理解為一個能夠完成完整計算機功能的整體，是由很多的計算機單元構成的)，提高集成程度，就提高cpu的速度

隨著時代的發展，隨著集成程度的提高，發現進一步提高，就越來越難了~~減小單個計算單元的體積，勢必就會增加工藝的難度~~當體積小到一定的程度的時候，經典力學就失效了，量子力學就接管了

于是一個核心不夠，就多個核心來湊

內核就是指cpu上焊上去的核心，現在的cpu有一個"超線程技術"，可以讓一個核心頂兩個核心，就指的是內核下方的邏輯處理器

1.1.3，指令

指令(Instruction)是cpu上能夠執行的任務的最小單元，這些最小單元都是由二進制的方式來表示的機器語言(不同的cpu支持的指令/機器語言是不相同的)

簡單模擬cpu執行指令的過程:（這是簡化的版本，真實的X86或者arm的指令表要復雜很多）

RAM：內存??

寄存器：cpu上的存儲數據的單元，cpu上能直接存的數據比較少，這些寄存器主要是為了支持cpu完成一些運算，保存中間結果的，它的空間雖然有限，但是訪問速度是極快的，比內存訪問速度要快上3-4個數量級

這一段指令? 其實就是內存中的一段數據的單元~~我們寫好的代碼，最終想要運行，都是需要讓操作系統，先把寫好并編譯好的指令加載到內存中，然后cpu才能執行的? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?假定，從0號地址開始執行程序，cpu就會先從0號地址這里讀取數據，到cpu寄存器里，并對這個指令??進行解析=>查詢指令表，看這個指令要干嘛? ? ? ? 0010? 1110，前4位對應的是opcode，0010即指LOAD_A 要完成的工作，從內存中，讀取數據到A寄存器中，后4位是參數，是內存地址，轉換為十進制，1110就是14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?那么這里就是指將14地址內存的數據讀取到A寄存器當中? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 默認情況下，cpu執行內存中的指令是''順序執行''的,除非遇到跳轉類的指令? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?后面的LOAD_B和STORE_A執行也是同理了? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?ADD指令中，1000 01 00，1000指執行ADD，01和00分別指向不同的寄存器，其中寄存器的編號都是在指令表里提前要約定好的，將兩個寄存器里面的內容相加，結果保存到第二個操作數的寄存器中

1.1.4，CPU的緩存

當時的計算機，在cpu執行指令的時候，要經歷從內存中讀取數據的操作，這個設定，就是馮諾依曼體系的精髓? ?最初設計該結構，就是為了把"執行"和"存儲"分開，這么做主要是為了"解耦合"來降低硬件設計的成本? 且當年的cpu執行指令的速度和存儲器取指令的速度是差不多的，配合很好

隨著硬件技術的發展，cpu越來越快，內存讀取數據提升不明顯，內存逐漸跟不上cpu的節奏了

于是出現緩存，通過臨時存儲經常訪問的數據，提高數據檢索速度和應用程序性能

1.2，操作系統

像windows10，windows11，linux，mac os，android，ios都是操作系統，這些操作系統，本質上都是用來搞管理的軟件

操作系統的功能主要是兩點：

1.對下管理所有的硬件設備

2.對上要給軟件提供一個穩定的運行環境

對于第一點，操作系統畢竟是一個軟件，不可能認識市面上的所有的硬件設備

但是操作系統知道，市面的硬件設備就這么幾個大的類別，每個大類別下面的硬件設備大概有哪些功能

硬件廠商就需要在開發硬件的時候，同時開發一個驅動程序，專屬于這個硬件設備，讓操作系統通過這個驅動程序完成對硬件設備的控制，也就是指操作系統統一管理各種不同的硬件設備給軟件提供統一的api

注：由于JVM已經把系統api封裝了，完成同樣的功能，就直接調用jvm的api即可，不需要學習系統原裝的，（天然跨大平臺）在windows上能跑，換成linux等其他的也能夠跑

1.2.1，進程

進程是操作系統提供的一種"軟件資源"

如今我們使用的系統，都屬于是"多任務操作系統"，也就是同一時刻，可以同時運行多個任務

電腦上每一個正在運行的程序，就可以稱為是"任務",也叫做"進程"

與之對應的，就是"單任務操作系統"，同一時刻，只能運行一個程序

每個任務在執行過程中，都需要消耗一定的硬件資源

換而言之，計算機中的每個進程，在運行的時候，都需要給他分配一定的系統資源

因此，進程是系統分配資源的基本單位

操作系統的進程管理：

1.先描述(使用類/結構體這樣的方式，把實體屬性給列出來)

操作系統，一般都是C/C++實現的，因此可以使用結構體

表示進程信息的結構體，稱為PCB(進程控制塊，Process Control Block)

2.再組織(使用一定的數據結構，把一些結構體/對象 串到一起)

當我們看到任務管理器中的這些進程的時候，意味著系統內部就在遍歷鏈表，并且打印每個節點的關鍵信息

如果運行一個新的程序，于是系統中就會多一個進程，多的這個進程就需要構造出一個新的pcb，并且添加到鏈表上

如果某個運行中的程序退出了，就需要把對應進程的pcb從鏈表中刪除掉，并且銷毀對應的pcb資源

此次的表述是一個簡化版本，事實上組織方式更加復雜(不是一個鏈表，是更加復雜的鏈式結構)

進一步了解進程，就要去了解PCB

1.2.2，PCB的核心屬性

pid：進程的身份標識，此處通過一個簡單的不重復的整數來進行區分的。

系統會保證，同一個機器上，同一時刻，每個進程的pid都是唯一的~~

內存指針：描述了進程使用內存資源的詳細情況，進程運行過程中，需要消耗一些系統資源的，其中內存就是一種重要的資源，只要從系統中申請，系統分配一塊內存，才能使用，每個進程都必須使用自己申請到的內存.內存指針，就是用來描述說你這個進程，都能使用哪些內存，一個進程跑起來的時候，需要有指令也需要有數據（指令和數據都是要加載到內存中的），進程也需要知道，哪里存的是指令，哪里存的是數據

文件描述符表：描述了進程所涉及的硬盤相關的資源，我們的進程經常要訪問硬盤，而操作系統，對于硬盤這樣的硬件設備，進行了封裝=>文件，不管是哪種盤，都是統一進行的抽象，都是按照"文件"的方式來操作的

一個進程想要操作文件，就需要"打開文件"，就是讓你的進程在文件描述符表中分配一個表項(構造一個結構體)表示這個文件的相關信息

正因為進程是系統分配資源的基本單位，所以內存，硬盤就會在PCB中有所體現

過渡：

在任務管理器，可以看到進程消耗了cpu的資源

cpu就像一個舞臺，而要執行的指令，就是演員，而指令是進程來執行，演員也就是進程

一個cpu可能有一個核心，也可能有多個核心~~

每個核心都是一個舞臺，演員需要登上舞臺，才能夠進行表演，但同一時刻，一個舞臺上，只能有一個演員

假如一個電腦上有16個邏輯核心，而系統上的進程，遠遠不止16個，不夠分怎么辦

所以，這里就涉及到一個非常關鍵的概念~分時復用（并發）

當cpu核心只有一個時，先執行進程1的代碼(進程1，登臺表演)，執行一會后，讓進程1下來，進程2上，進程2執行一會后，進程3上，以此類推

只有切換速度足夠快，人是感知不到這個切換的過程的，在人眼中，多個任務/進程，就是"同時執行"的，而當進程太多，cpu負擔太重，就會出現"卡頓"

隨著多核cpu出現，同時執行的進程就變得更加復雜了

如有4個舞臺，同時就可以有四個不同的進程，在各自的舞臺上進行執行，此時，微觀上，這幾個進程也是"同時執行的"，而不是靠快速切換模擬的"同時執行"，被稱為并行執行

與之對應的，前面的并發執行，仍然存在，每個核心仍然要分時復用，仍然要快速切換

所以當前現代的計算機的執行過程，往往都是并發+并行同時存在的，而對于兩個進程是并行執行還是并發執行就都是看系統的調度的

因此，往往就把"并行"和"并發"統稱為"并發"

所以此次cpu的百分數，就是指你的進程在cpu舞臺上消耗的時間的百分比? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 如果有一個進程，把cpu吃到了100%，意味著其他進程都沒有執行的時間了，很可能就會造成系統卡頓，于是就要用到進程的調度，分時復用，并發執行

對此，PCB中就需要提供一些屬性，來支持系統對這些進程的調度：

狀態：描述某個進程是否能夠去cpu上執行

狀態中重要是就緒狀態和阻塞狀態

就緒狀態：隨時準備好去cpu上執行，操作系統打聲招呼就可以上了

阻塞狀態：這個進程，當前不方便去cpu上執行，不應該去調度他（比如，進程在等待IO，來自控制臺的輸入輸出）

優先級：對于多個進程等待系統調度，調度的先后關系，先調度誰，后調度誰，誰長，誰短，都是可以進行調配的（系統的api可以設置）

記賬信息：針對每個進程，占據了多少cpu時間，進行一個統計。會根據這個統計結果來進一步的調整調度的策略~~

因此就需要在下一個輪次進行調整，確保每個進程都不至于出現完全撈不著CPU的情況的

上下文：進程從cpu離開之前，需要保存現場，把當前cpu中各種寄存器的狀態，都記錄到內存中

等到下一次進程回到cpu執行的時候，此時就可以把保存的這些寄存器的值恢復回去，進程就會沿著上次執行到的位置，繼續往后執行

就相當于存檔和讀檔

結合前面指令執行，知道每個進程在運行過程中，就會有很多的中間結果，在CPU的寄存器中

例：3和14相加，先使用寄存器保存3和14，再使用寄存器，保存17

然而執行完3加14后，進程就被調度出了cpu

操作系統調度進程，過程可以認為是隨機的，任何一個進程，代碼執行到任何一條指令的時候都可能被調度出cpu，因此，就需要在進程調度出cpu之前，把當前寄存器中的這些信息，給單獨保存到一個地方（存檔）

在進程調度回cpu的時候，繼續之前的進度來執行，在該進程下次再去cpu執行的時候，再把這些寄存器的信息給恢復過來（讀檔）

"保存上下文"：就是把cpu的關鍵寄存器中的數據，保存到內存中（PCB的上下文屬性中）

"恢復上下文"：就是把內存中的關鍵寄存器中的數據，加載到cou對應的寄存器中

1.2.3，內存分配-內存管理 和進程間通信

內存管理的核心結論：每個進程的內存，都是彼此獨立的，互不干擾的

通常情況下，進程A不能直接訪問進程B的內存，為了系統的穩定性，如果某個進程代碼出現bug，出錯影響的范圍，只是影響到自己的這個進程，不會影響到其他進程，這種情況，也稱為"進程獨立性"

進程間通信：

雖然有進程的獨立性，但是有時候也需要，多個進程相互配合，完成某個工作

進程間通信與進程的"獨立性"并不沖突，系統提供一些公共的空間(多個進程都能訪問到的)，讓兩個進程借助公共空間來交互數據

上述只是進程的序幕，實際上，在JAVA中不太鼓勵"多進程編程"

線程 更加重要了，詳細看線程單獨的文章