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JavaEE开篇之计算机是如何工作的

news 2025/10/25 9:38:55

JavaEE开篇之计算机是如何工作的

    • 1. 简单了解Java的发展史
    • 2. 计算机是如何工作的
      • 2.1冯·诺依曼体系结构
        • 1. CPU
        • 2. 存储器
        • 3. 输入设备
        • 4. 输出设备
    • 3. CPU执行指令的过程(简化版)
      • 3.1 什么是指令?
      • 3.2 CPU的工作周期
    • 4. 操作系统
      • 4.1 常见的操作系统
      • 4.2 操作系统的核心功能
      • 4.3 内核
    • 5. 进程
      • 5.1 进程管理
      • 5.2 PCB

1. 简单了解Java的发展史

Java起源于一个嵌入式设备项目–Green Project,当时的开发团队由詹姆斯·高斯林领导,由于C++的语言特性不符合嵌入式设备项目的需求,因此创造出了一个新语言–Oak.后来发现"Oak"这个名字已经被另一种计算机语言使用了,于是更名为"Java".

嵌入式设备虽然没有开发出来,但是语言却开始流行了,网景公司在1995年与Sun合作，在其浏览器中集成了Java Applet技术。

然而好景不长,微软开发的IE浏览器如日中天,且微软也有自己的语言J++,两者竞争加剧,微软通过推广其不兼容的J++和后来的.NET战略，削弱了Java的跨平台一致性，并通过浏览器和操作系统的绑定优势挤压了Java（尤其是Applet）的市场。然而J++也没有抓住机会,反倒是另一门语言–JavaScript抢占了前端开发的市场,JavaScript一火火了30年,以至于目前JS仍然是前端开发最主力的语言.

Java开始继续寻求出路:

  1. 做服务器开发(后端)
  2. 做嵌入式开发

并在自身基础上划分出了几个版本.1999年Java 2平台发布，首次划分为J2SE, J2EE, J2ME,2006年，Sun为了简化品牌，将“J2”前缀去掉，改为Java SE, Java EE, Java ME。

  1. 标准版:J2SE==>Java SE(基石)
  2. 企业版:J2EE==>Java EE(服务器开发)
  3. 精简版:J2ME==>Java ME(嵌入式开发)

在2000年代初，PHP在中小型Web开发中极为流行，而Java（J2EE）则在大型企业级应用中占据重要地位。

随着手机(功能机)崛起,JavaME也获得了发展.

服务器开发和嵌入式开发这两方面的发展使Java重回主流,此时的Java已经不局限于前端了,变得更加综合.

然而时代推进,又出现了新的挑战:随着网站规模变大,以PHP为首的后端开发技术变得难以适应,Java EE发展受到重创.此外,移动端开发领域:2007年乔布斯发布了第一代iPhone,智能手机的时代开启了,iPhone的兴起摧毁了功能机市场和Java ME.

Java一时间两条腿都瘸了,Java开始寻求新的出路,结果找得还不错:

  1. 后端开发领域,Java逐渐摒弃了JSP,并诞生了新的王者—Spring,给Java带来了新的春天,Spring提供了后端开发的全套解决方案,非常好地适应了大规模网站开发.在Spring的加持下,Java反超PHP成为后端开发的No.1
  2. 移动端开发,虽然Java ME倒下了,但是新的王者Android(背后是Google)诞生了,Android选择Java作为其应用开发语言，这为庞大的Java开发者社区（包括Java ME开发者）提供了一个无缝过渡到移动开发新领域的绝佳机会。

Java重回巅峰,王者归来,一度冲到编程语言榜首.

2020年,Java再次面临新的挑战–Golang,由包括Unix和C语言先驱Ken Thompson在内的团队设计,也有人说Golang是C语言新时代的继任者.目前Java的市场份额仍比Go大,但是Java的危机已经存在.

前面的这么多分析,怎么没有涉及到C++呢?

C++可以看做是与世无争的高人,C++是始终在背后操盘的大佬,因为不论是谁赢了,最后都是C++赢了.

Java运行时的JVM（如HotSpot）、Python的主流解释器CPython、JavaScript的V8引擎，其核心都是用C/C++编写的。

可以说:如果Java,Python,Go,JavaScript等语言是高楼大厦,商店,办公楼,那么C和C++就是这座城市的地基,钢筋水泥和地下管网,无论这座城市的商业中心是变成金融区还是科技园区,或者是游乐场,都离不开C++构建的坚固地基.

2. 计算机是如何工作的

艾伦·图灵和约翰·冯·诺依曼并称为"计算机之父".

艾伦·图灵—计算机科学的理论奠基人,提出了"图灵机"的概念(现代计算机"存储程序"概念的理论雏形),以及图灵测试(提出了判断机器是否具有智能的标准,开启了人工智能的先河),定义了"可计算性".图灵描绘了计算机的"灵魂"和"终极形态",告诉我们什么是计算,以及一台完美的计算机应该具备什么能力.

图灵机是一个思想模型,并非一台实体机器,由一个读写头,一条无限长的纸带和一套控制规则组成,这台机器通过加载不同的"程序"(即纸带上的指令)就能完成各种不同的任务

约翰·冯·诺依曼—现代计算机的体系结构设计者,1945年提出了著名的冯·诺依曼体系结构,回答了"我们应该如何实际地构建一台通用计算机"这个工程问题.

计算机内部的构造大同小异,整体规则都是冯大佬提出的"冯·诺依曼"结构,接下来,简单讲解一下这个结构:

2.1冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼经典理论将计算机核心划分为:运算器+控制器+存储器+输入设备+输出设备这五个部分,现代常将运算器和控制器这两个核心部件合称为中央处理器（CPU）。所以简化模型是CPU + 存储器（内存） + 输入设备 + 输出设备。

1. CPU

中央处理单元,是一个计算机最核心的部分,进行算术运算和逻辑判断,核心参数有如下几个:

  1. 核心

核心(物理核心)是CPU内部独立的处理单元,可以看做是一个"工人",每个核心都能同时处理不同的任务.核心数越多,CPU同时处理任务的能力就越强,即并发能力越强.

  1. 线程

要让CPU算得快,如果竖向发展,就需要包含更多的运算单元,使CPU的集成程度更高,单个运算单元体积就得更小,这对CPU的制作工艺提出了更高的要求,提升越来越难了.竖向发展受挫,那就开始考虑横向发展,单核不行就双核,四核,八核…还搞出了超线程技术:

超线程:让单个CPU核心能同时处理多个任务,线程是个硬件层面的概念,在操作系统中这一概念的名字是:逻辑处理器.一般将一个核心划分为两个逻辑处理器.

在这里插入图片描述

上图中有16个逻辑处理器,那么核心数就为8,即8核16线程.

超线程并没有增加物理上真正的执行单元,而是通过巧妙的调度,填充了一个物理核心内部原本可能限制的资源,从而提高了效率.

  1. 频率

频率是CPU运算速度的基准单位,通常以GHz(千兆赫兹)来表示.可以简单理解为1秒执行的指令数量.在核心/架构相同的情况下,频率越高,CPU处理单个任务的速度通常越快.

CPU频率是可以根据任务动态调整的:

  • 基础频率:CPU在正常状态下的保证运行频率
  • 加速频率:在散热和供电允许的情况下，CPU能达到的最高工作频率.这个参数对单核性能尤其重要。
  1. 缓存

缓存时CPU内部的高速内存,用于临时存储最常用的数据和指令.CPU从缓存读取数据的速度远快于从内存读取.缓存越大,CPU等待数据的时间就越少,效率越高.

通常分为L1,L2,L3三级,L1->L2->L3,越来越大,也越来越慢.

2. 存储器

计算机为了平衡速度、容量和成本，建立了一个多层次的存储系统，从上到下，速度变慢、容量变大、成本变低。

金字塔模型（从上到下，速度递减，容量递增）：

  1. 寄存器：位于CPU内部，是速度最快的存储单元，用于存放当前正在执行的指令和数据。它的容量极小（以字节或比特计）。
  2. 高速缓存：也位于CPU内部或非常靠近CPU。分为L1、L2、L3等级别，作为内存和寄存器之间的缓冲，存放最常用的数据和指令，速度极快。
  3. 内存：存储空间小,访问速度快,成本高,掉电后数据丢失.
  4. 外存：硬盘,软盘,U盘,光盘都属于外存,存储空间大,访问速度慢,成本低,掉电后数据仍在.
3. 输入设备

用于将外部的程序和数据输入到计算机内存中,例子:键盘,鼠标,扫描仪,触摸屏等.

4. 输出设备

用于将计算机内存中的处理结果呈现给外部世界,例子:显示器,打印机,音响.

3. CPU执行指令的过程(简化版)

3.1 什么是指令?

首先,什么是指令?

在计算机内部,每条指令通常都由两部分组成:

  • 操作码:指定"要做什么"的二进制代码,告诉CPU要执行什么操作,加法?减法?从内存加载数据?还是将数据存入内存?等等.
  • 操作数:指定"对谁进行操作".提供操作需要的数据,或者数据所在的地址(比如在哪个寄存器里,在内存哪个位置).

我们平时写的C++,Python,Java等代码,CPU是看不懂的,它们需要被"翻译"成CPU能懂的指令,类似于:

指令功能说明4位操作码4位操作数
LOAD_A从RAM的指定地址,将数据加载到A寄存器00104位RAM地址
LOAD_B从RAM的指定地址,将数据加载到B寄存器00014位RAM地址
STORE_A将数据从A寄存器写入RAM的指定地址01004位RAM地址
ADD计算两个指定寄存器的数据的和,并将结果放入第二个寄存器10002位的寄存器ID
2位的寄存器ID

上表假设每个指令只有8bit,前4位是操作码,后四位是操作数.但实际上指令很更长,且更复杂,这里只是个简化版本.

3.2 CPU的工作周期

CPU执行指令的过程是一个循环,称为"指令周期",一个最基本的指令周期可以分为四个核心阶段:取指令->解析指令->执行指令->回写指令.

  1. 取指令
  • 目标:从内存中拿到接下来要执行的那条指令
  • 执行者:主要由控制器负责
  • 详细过程
    1. 程序计数器:控制器内部有一个叫做"程序计数器"的寄存器,它里面要存储着下一条要执行的指令在内存中的位置.
    2. 发送地址:控制器将程序计数器中的地址通过地址总线发送给内存
    3. 获取指令:内存收到地址后,将该地址对应的指令内容通过数据总线发送给CPU
    4. 更新指针:程序计数器的值自动增加,指向下一条指令的地址,为下一个取指令阶段做好准备.
  1. 解析指令
  • 目标:搞清楚刚刚拿到指令具体要"干什么"以及"对谁干".
  • 执行者:控制器
  • 详细过程:
    1. CPU拿到的指令实际上是一串二进制代码
    2. 控制器内部有一个"指令解析器",就像一本密码本,可以解析CPU拿到的二进制代码,确定需要执行的操作以及这个操作所需的操作数在哪里(是在CPU的寄存器里,还是在内存的某个地址里)
  1. 执行指令
  • 目的:真正执行解析指令所确定的操作
  • 执行者:运算器
  • 详细过程:
    1. 控制器根据译码结果,向相关的部件发出控制信号
    2. 运算器根据指令,从寄存器或内存中获取操作数
    3. 运算器执行具体的操作
  1. 回写
  • 目标:将执行阶段产生的结果保存起来
  • 执行者:控制器和运算器协同
  • 详细过程:将运算结果写入到指定的目的地,通常是CPU内存的寄存器,有时也会直接写回内存.

接下来举一个例子来说明一下执行过程:

假设有如下一些内存空间和数据,里面保存了一条条指令:

地址数据
000101110
100011111
210000100
300000000
400000000
500000000
600000000
700000000
800000000
900000000
1000000000
1100000000
1200000000
1300000000
1400000011
1500001110

并且有如下的指令表:

指令功能说明4位操作码4位操作数
LOAD_A从RAM的指定地址,将数据加载到A寄存器00104位RAM地址
LOAD_B从RAM的指定地址,将数据加载到B寄存器00014位RAM地址
STORE_A将数据从A寄存器写入RAM的指定地址01004位RAM地址
ADD计算两个指定寄存器的数据的和,并将结果放入第二个寄存器10002位的寄存器ID 2位的寄存器ID

初始情况下,程序计数器值为0.

  1. 第一步:读取指令,读取地址为0的指令,数据是00101110
  2. 第二步:解析指令,指令前四位0010是操作码,通过查询指令表可知该二进制对应的是LOAD_A,操作数是1110->内存地址,LOAD_A的作用就是把1110这个地址的数据读取到寄存器A中.
  3. 第三步:执行指令,将1110地址的数据读取出来放到寄存器A中,1110按无符号二进制解释为十进制14,查询指令表,内存地址14对应的数据是00000011,按无符号二进制解释为十进制3
  4. 第四步:回写,将第三步算出的3放到寄存器A中.

至此,第一条指令执行完成,程序计数器自动+1,接下来执行地址为1的指令:

  1. 第一步:读取指令,地址为1的指令->数据是00011111
  2. 第二步:解析指令,指令前四位0001是操作码,通过查询指令表可知该二进制对应的是LOAD_B,操作数是1111->内存地址,LOAD_B的作用就是把1111这个地址的数据读取到寄存器B中.
  3. 第三步:执行指令,将1111地址的数据读取出来放到寄存器B中,1111按无符号二进制解释为十进制15,查询指令表,内存地址15对应的数据是00001110,按无符号二进制解释为十进制14
  4. 第四步:回写,将第三步算出的14放到寄存器B中.

至此,第二条指令执行完成,程序计数器自动+1,接下来执行地址为2的指令:

  1. 第一步:读取指令,地址为2的指令->数据是10000100
  2. 第二步:解析指令,指令前四位1000是操作码,通过查询指令表可知该二进制对应的是ADD,操作数是0100(4)->寄存器ID:01和00,STORE_A的作用是将寄存器01和寄存器00的值取出,求和,再放入00寄存器中.假设寄存器A的ID是00,寄存器B的ID是01,那么该指令就是将寄存器A和B的值取出,求和,再放入寄存器A中.
  3. 第三步:执行指令,寄存器A中值为3,寄存器B中值为14,3+14=17
  4. 第四步:回写,将上一步计算出的17放入寄存器A中

至此,第二条指令执行完成,程序计数器自动+1,接下来执行地址为3的指令:

  1. 第一步:读取指令,地址为3的指令->数据是00000000

  2. 第二步:解析指令,发现指令数据位0,这通常表示程序执行完成了.

通过上述4条指令,我们可以发现其实实现的就是一个加法操作,然而这对CPU来说,也并非是一件特别容易的事.

4. 操作系统

4.1 常见的操作系统

常见的操作系统有windows,Linux,Mac OS,安卓(实际上安卓内核也是基于Linux开发的,但是经过多年迭代,差异已经很大了),IOS等,这些系统在普通群众之间非常流行,还有一些小众系统,比如用于工业设备,航空航天等用途的操作系统.

在不同操作系统运行的程序大部分都是不同的,不能兼容,例如你在windows上写的程序大概率是不能直接拿到Linux等其他系统上运行的,而Java具有跨平台特性,虽然不同系统的JVM不同,但是都兼容字节码,Java程序员不必考虑系统差异.(实际上,Java的应用场景主要在安卓和服务器后端,很少会真的需要写一个程序跨不同平台执行).

4.2 操作系统的核心功能

操作系统的核心功能可以简单概括为以下几方面:

  1. 资源管理
    • 计算机的CPU、内存、硬盘、网络等是有限的资源，而多个应用程序（进程）会竞争这些资源。操作系统就是这些资源的“超级管家”，负责公平、高效地分配它们。给软件提供稳定的运行程序
  2. 给软件提供稳定的运行环境
    • 保护系统本身和各个应用程序不受恶意或错误程序的干扰,一个进程的崩溃不会影响操作系统和其他进程.
  3. 为用户提供接口
    • 不能让用户和应用程序直接去操作晦涩难懂的硬件指令。操作系统提供了一层抽象的、易于使用的接口,接口主要有三种形式:
      • 图形用户界面:如Windows的桌面、macOS的Finder、Linux的GNOME/KDE。
      • 命令行用户界面:如Windows的CMD/PowerShell，Linux/macOS的Terminal。
      • 应用程序接口:即系统调用，这是程序与操作系统交互的根本方式。
  4. 虚拟化
    • 通过软件手段，为每个程序“变出”它独享的、统一的、无限资源的假象.
      • CPU虚拟化:通过进程和线程调度，让每个程序都感觉自己在独占CPU.你同时打开音乐和浏览器，它们看起来在同时运行，这就是CPU时间片虚拟化的结果.
      • 内存虚拟化:通过虚拟内存技术，让每个进程都认为自己拥有一块从0开始连续的、巨大的内存地址空间（如4GB），而实际上它们的物理内存是分散的，甚至一部分还在硬盘上。

4.3 内核

内核是操作系统的核心部分,它运行在内核态,负责管理系统的所有关键资源,上面提到的操作系统的四大功能,其具体实现最终都落在内核上.

在这里插入图片描述

内核态 VS 用户态

内核态:CPU可以执行所有指令，可以访问所有硬件资源。内核代码运行在此态。

用户态:CPU只能执行非特权指令，无法直接访问硬件。应用程序代码运行在此态。

内核的核心功能:

  1. 进程管理

    • 进程调度:决定下一个时间片哪个进程/线程在哪个CPU核心上运行。调度器是这里的核心组件。
    • 进程间通信:提供信号、管道、消息队列、共享内存等机制，让进程之间能够安全地交换数据。
    • 同步原语:提供锁、信号量等机制，防止多个进程/线程在访问共享资源时产生冲突。

  2. 内存管理

    • 虚拟内存管理:为每个进程维护一张“地图”——页表，将进程的虚拟地址映射到物理地址。
    • 内存分配和回收:当程序调用malloc()或Java的new关键字时，最终是由内核来分配实际的物理页。
    • 页面置换:当物理内存不足时，决定将哪些内存页换出到磁盘的交换分区/文件。

  3. 设备驱动与I/O管理

    • 设备驱动:包含了控制特定硬件的代码。驱动是内核的一部分，或以内核模块的形式加载。
    • 抽象接口:为上层应用提供统一的、抽象的I/O接口（如read, write系统调用），隐藏不同硬件的复杂细节。
    • 缓冲管理:使用缓冲区来平滑CPU和I/O设备之间的速度差异。

  4. 文件系统管理:

    • 组织数据:定义如何在磁盘上存储文件、目录名、权限、创建时间等元数据。
    • 提供操作接口:实现open, read, write, close等文件操作的系统调用。
    • 虚拟文件系统:提供一个抽象层，使得上层应用可以用统一的方式访问不同格式的文件系统

  5. 系统调用与中断处理

    • 系统调用:当应用程序需要内核提供服务时（如创建进程、读写文件、申请内存），它执行一条特殊的指令（如syscall）来“陷入”内核。内核验证请求后，代表应用执行操作，最后返回结果。
    • 中断处理:当硬件设备需要CPU注意时（如网络包到达、磁盘读写完成），会发出一个中断信号。CPU会立即暂停当前工作，转而执行内核中对应的中断处理程序。这是异步I/O和事件驱动的基石。

5. 进程

一个应用程序,在没有运行时是位于硬盘上的exe文件,当你双击exe运行时,该文件就会被加载到内存中,执行CPU中的指令,此时的程序就是一个进程.进程是操作系统进行资源分配的基本单位.

操作系统的内核的核心功能之一就是进程管理.

5.1 进程管理

  1. 进程的描述:通过结构体/类,把进程的各种属性表示出来
  2. 进程的组织:通过多种链表或队列（如就绪队列、设备等待队列）将所有的PCB(进程控制块)组织起来，方便内核进行管理。

简单来说,就是通过链表的方式把PCB串到一起.运行程序就相当于创建了一个PCB结构体,并且插入到链表中;销毁进程就是把PCB从链表上删除,并且释放掉这个PCB结构体;查看进程列表就是在遍历这个列表,依次显示出对应的信息

5.2 PCB

PCB 是操作系统为了管理和描述一个进程而创建的数据结构。

PCB是个非常复杂的结构体,包含的属性非常多,此处只讨论一些关键信息.

  1. PID=>进程的标识符,同一时刻一个机器上不同进程的PID一定是唯一的,没有重复
  2. 内存指针=>描述进程依赖的指令和数据都存在内存的哪个区域.(侧面表现出,进程的执行需要一定的内存资源)
  3. 文件描述符=>描述进程打开了哪些文件(侧面表示出,进程的执行,需要一定的硬盘资源)
  4. 进程状态=>记录进程时RUNNABLE,RUNNING,BLOCKED还是DEAD
  5. 进程优先级=>根据优先级的高低来进行先后调度
  6. 进程上下文=>进程在执行中,某一时刻所处的状态和环境的集合,它包含了进程恢复运行所需的所有信息.
  7. 进程的记账信息=>记录进程占用的CPU时间,实际使用的内存等,用于统计和调度
http://www.dtcms.com/a/524683.html

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