【JavaEE】(1) 计算机如何工作

一、计算机组成

1、现代电脑有哪些部件

• 主板。（插座，把配件插上去）
• 散热器。（风扇）
• CPU。（中央处理器，整个计算机的算术运算、逻辑判断）
• 内存。（容量小、读写速度快、贵、不是持久化存储）
• 磁盘。（容量大、读写速度慢、便宜、持久化存储）
• 电源。
• GPU。（有些电脑有独立显卡，处理图像、大规模数据计算）

2、通用计算机构成

        图灵提出了通用计算机理论。

        冯诺依曼带领团队研发出通用计算机雏形，提出冯诺依曼体系结构。

        现代计算机的显卡、电源、散热器等都是后来逐渐演化出的。

二、CPU

        代码都是在 CPU 上运行的，因此 CPU 是程序员最需要关心的部件。

1、性能指标

        任务管理器 >> 性能。

1.1、频率

        这个是我电脑 CPU 的实时频率，任务多速度就慢点，任务少速度就快点。频率越高，代表 CPU 一秒内运算的次数越多。10 Hz 表示一秒钟运算10次，1 GHz = 10亿 Hz。

        

1.2、核心数

        CPU 上的运算单元越多，频率就越高。但 CPU 限制了只能那么大，想 CPU速度越快，运算单元更多，那么运算单元需要越来越小，但是不可能无限小。所以 CPU 的频率已经很多年没有大的提升，达到瓶颈。以前的 CPU 只有一个核心（相当于只有一人干活），为了提高 CPU 运算速度，研发出多核心 CPU，再后来英特尔提出“超线程技术”，即一个 CPU 核心有两个逻辑核心（一人打两份工）。

2、指令

        编程语言分三大类：

• 机器语言：二进制序列，不同序列代表不同含义。
• 汇编语言：将固定二进制序列转为固定英文单词。
• 高级语言：对一组汇编语言进一步封装为更具描述性的语句。

        不同高级语言编写的代码最终都会转为二进制指令在 CPU 上执行：

• C语言：源代码》编译为汇编代码》转为机器代码。
• Java：源代码》编译为字节码（.class）》特定平台的汇编代码》转为机器代码。

        CPU 如何执行指令？CPU 设计时，会设计指令表，说明不同二进制序列都有什么含义。CPU 会根据指令表执行指令。下面给出一个虚构的指令表，来演示 CPU 执行指令的流程。

        RAM 就是内存（Random Access Memory，随机访问存储器）。寄存器是 CPU 里的临时存储器，运算数据、中间结果、计算结果都临时存在里面，速度比内存还快得多，也很小。一条指令 8 位，前 4 位是操作码，后 4 位是操作数。

        比如下图是内存中存储的数据，一个存储单元（一字节）存储一条指令。

（1）执行地址 0 的指令

0010：LOAD_A，把 RAM 中 1110（14） 地址的数据（3）放到寄存器 A：

        A寄存器：3

（2）执行地址 1 的指令

0001：LOAD_B，把 RAM 中 1111（15） 地址的数据（14）放到寄存器 B：

        A寄存器：3        B寄存器：14

（3）执行地址 2 的指令

1000：ADD，把寄存器01（B）、寄存器00（A）的数据求和，放入寄存器00（A）：

        A寄存器：17        B寄存器：14

（4）执行地址 3 的指令

0100：STORE_A，将A寄存器的数据写入 RAM 中地址1101（13）：

（5）执行地址 4 的指令

0000：程序执行完毕。

        以上就是 CPU 执行 3+14 的过程，经过了十几条步骤。

总结：

• CPU 从内存加载指令。
• 每个指令：取指令》解析指令》执行指令。
• 计算的数据必须先放到寄存器中临时存储。
• 最终计算结果必须放回内存。

三、操作系统

        前面说的都是计算机的硬件，操作系统是计算机的关键软件。

1、常见的操作系统

五大操作系统：

• Windows
• Linux（我们以后写的是服务器程序，服务器 90% 都是 Linux 系统）
• Mac OS（苹果电脑）
• IOS（苹果手机）
• Android

        C语言写的程序，不同操作系统的代码功能一样，但是代码不一样。

        Java 因为有 JVM 处理，完全可以在 Windows 上写程序，再放到 Linux 服务器上运行。

2、操作系统的作用

        操作系统负责管理硬件设备，给应用软件提供稳定的运行环境（让应用软件不能影响其它的应用运行，大不了让它自己程序崩溃）。

        在硬件开发时，会开发对应的驱动程序，它在操作系统内部运行，用于让操作系统理解硬件并管理硬件设备。如果操作系统内部运行的程序崩溃，就会“蓝屏”。

        操作系统会用一个个类描述硬件、软件应用（主流操作系统都是 C语言写的，用结构体表示类），并通过一定的数据结构将类组织起来，便于增删改查，管理硬件、应用软件。

3、进程

        操作系统管理的资源有很多：CPU资源、内存资源、磁盘资源、网络资源。

        进程就是运行的程序（启动一个程序，会创建一个或多个进程），每个进程需要操作系统分配硬件资源，因此，进程是操作系统中资源分配的基本单位。上面所说的类描述，描述的就是进程的关键属性，包装成 PCB（process controll block）进程控制块。而组织的数据结构，最典型的是链表。

• 创建进程：创建 PCB，插入链表。
• 销毁进程：从链表上删除 PCB，并释放。
• 查看任务管理器的进程列表：遍历链表，打印每个 PCB 属性。

4、PCB 中的关键属性

4.1、PID

        进程的 id，同一机器同一时刻唯一。

4.2、内存指针（内存资源）

        说明分配给进程的内存的分区，哪里存放指令，哪里存放数据。

        外挂就是通过修改进程的内存中的指令实现的。

4.3、文件描述符表（磁盘资源）

        磁盘资源在操作系统上是以文件的形式管理的，一个进程可以打开多个文件，每个文件都有文件描述符，相当于文件的 id，多个文件描述符就被管理在顺序表中，构成文件描述符表。

        进程通过进程调度分配 CPU 资源。我的电脑上大概有两百多个进程，但只有 12 个逻辑处理器。如何同时运行这么多进程？

        操作系统执行中，并行、并发两种模式同时存在。

• 并行：两个核心运行两个进程。
• 并发：一个核心“分时复用”，同时运行多个进程。因为进程间切换速度太快，所以该“串行”由人眼感觉到的是“同时”运行的。

        以下讲的就是进程调度，需要的 PCB 属性。

4.4、状态（CPU 资源）

        进程的状态最主要的是：

• 就绪态：随时可以被调度到 cpu 的进程、正在运行的进行。（主流操作系统，没有运行和就绪之分，统称就绪态）
• 阻塞态：暂时不方便被调度到 cpu 的进程。

4.5、优先级（CPU 资源）

        优先级高的多分配 cpu 资源，优先级低的少分配。

4.6、上下文（CPU 资源）

        进程运行到一半，计算的中间结果（cpu 寄存器中的数据）需要保存到内存中的 PCB 中的上下文属性中，进程恢复运行时，再把中间结果加载回 cpu 寄存器。

4.7、记账信息（CPU 资源）

        记录进程过去在 cpu 上一共执行了多久/多少条指令，以便找出太久没在 cpu 上运行的进程。

5、进程间通信

        Java 中不鼓励多进程编程，实在要用，也只用一种进程间通信机制：网络。

        网络不仅支持同主机的两个进程间通信，还支持同一个网络内的不同主机上的进程通信。

6、线程

        线程是轻量级进程。进程的创建和销毁都有开销（需要申请和释放系统资源）。而同一个进程内的所有线程都是共享一个进程的资源，因此，进程是操作系统资源分配的基本单位，线程是操作系统 cpu 调度的基本单位。除了同一个进程中的第一个线程会随着进程申请系统资源，剩下的线程都不需要。

        线程满足了两个要求：

• 实现并行、并发。（同一个服务器能处理多个客户端的数据请求）。
• 更轻量、高效（网络的发展，上网的人越来越多，服务器要处理的客户端请求越来越多）。