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JavaEE入门--计算机是怎么工作的

news 2025/11/12 12:53:33

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文章目录

前言
一、计算机的组成
- 冯诺依曼结构体系
- 1.现代计算机的组成结构
- - 1.1CPU
- #1.cpu和核心数
- #1.3存储器
二、编程语言
三、指令
操作系统
- 进程
- 进程调度
总结

前言

在大家的陪伴下，我们成功经历了数据库这一冒险章节，我们就要开启新的冒险篇章。
本节就是新篇章的开端—计算机是怎么工作的！

一、计算机的组成

冯诺依曼结构体系

在这里插入图片描述
我们在上计算机组成原理这门课的时候，对这幅图很熟悉吧！我就不过多赘述了！

1.现代计算机的组成结构

1.1CPU

CPU是电脑上最核心的部分（中央处理器）！
计算机进行的各种算术运算，逻辑判断，都是CPU负责的（代码里写的内容都是CPU运行的！）
虽然CPU表面上小，内部结构非常非常复杂，复杂到“量子力学”尺度，CPU是人类科技的巅峰之作是和氢弹齐名。

#1.cpu和核心数

最开始的CPU（2008之前）
之前的CPU都是单个核心的。
当时研发新的CPU，就是努力提高cpu的频率。
提高到一定程度，就提高不上去了，cpu内部构造非常精密，里面是数不清的小的电路元件构成的计算单元，计算单元越多，算的越快，一个cpu面积是固定的，要想让计算单元多，单个计算单元就得小。
不可能无限小，超过一定程度就超出经典物理了，步入到量子力学的范畴。
所以单个核心满了，干脆引入两个核心来工作。（多核心技术）
就类似于公司，招聘更多的员工完成工作。
物理核心层面：真实干活的人。
逻辑核心，实际上这些人能同时干几个活。

#1.3存储器

1.内存：存储数据的最要模块！
2.硬盘：存储数据的主要模块！
二者统称为存储器。
问题：数据库MySQL存储数据是在内存上还是硬盘上呢？
答案：在硬盘上进行存储，这是数据库要满足持久性，而硬盘存储数据是持久的，断电也不会丢失！
内存与硬盘的区别：

1.内存读写速度快，硬盘读写速度慢，相差几千倍，机械硬盘读写速度一般是200MB/s左右；内存速度就快了，在这个的基础上几千倍水平。
2内存存储空间比较小，硬盘存储空间比较大。
3.内存的成本比硬盘更高（贵）。
4.内存存储数据不是持久的，断电就无了，而硬盘存储的数据是持久的，断电也不会丢失！！

科普两个小知识：
1.bit 1个二进制位
Byte 8 个二进制位
KB 1024个Byte
MB 1024个KB
GB 1024个MB
TB 1024个GB
PB 1024个TB
2.在生活中内存这个词存在着歧义的：
比如我的电脑是32G内存
我的手机是128G内存：无良商家忽悠小白，以讹传讹了，手机的128G指的是硬盘；商家发明新词：运存 12G才是真正的内存。
1.4显卡（GPU）
显卡（GPU）和CPU是很相似的，都能进行算术运算和逻辑判断!
举个栗子：
CPU是一个大学生，能算1+1也能算微积分，“通用计算芯片”
GPU只是小学生，只能算1+1，算不了微积分，但是一组小学生，
虽然算不了微积分，如果是计算1+1，GPU速度比CPU快得多。“专用计算芯片”！
GPU就是用来处理计算虽然简单，但是运算非常大的场景：
1.图形渲染（大型游戏，3D建模）
黑神话，矩阵运算……
2.挖矿（加密货币）
比特币，以太坊，狗狗币……
挖矿收益，就是赚佣金，比特币这种区块链网络，能够运转需要一些系统辅助……
区块链系统给你出题
让我们算一系列1+1，哪个电脑算的快，哪个电脑就能够抢到这个任务，赚到佣金
1BTC = 60000+$
高点70000w，一两个月之前
3.AI人工智能
模型训练，就是在算大量的1+1，使用显卡就非常合适。

还有电源、散热器、机箱、键盘鼠标、显示器、1.2主板（就是一个大插座）。等就是组成现代的计算机。

二、编程语言

1.机器语言（以二进制的方式，表示的一种编程语言）
2.汇编语言
3.高级语言（C，Java）

三、指令

⾸先，我们先介绍下我们需要到的指令(instruction)。
所谓指令，即指导 CPU 进⾏⼯作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成。
其中操作码⽤来表⽰要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是
寄存器编号等。
指令本⾝也是⼀个数字，⽤⼆进制形式保存在内存的某个区域中。
cpu上面都支持那些指令，每个指令怎么表示，有哪些意义……
都是cpu在设计出来的时候就确定了，可以通过表格，表示出cpu支持哪些指令。
在这里插入图片描述
寄存器，也是存储数据的模块，是长在cpu身上的，cpu存储数据，就是通过寄存器，
cpu的寄存器，访问速度比内存还要快很多，存储空间也比内存小很多，成本也高很多。
断电之后数据也会丢失。
cache是介于寄存器和内存之间存储设施（也是集成在cpu上）
cpu的寄存器主要是在cpu进行执行指令进行各种运算的时候存储临时数据，起到一定的辅助效果。

操作系统

操作系统是计算机中，最重要的“软件”。
如Windows11/10，Linux……
Linux在程序员圈子中是非常重要的，后端开发，服务器程序使用的系统一般是Linux，嵌入式设备Linux也是主力系统！
Windows和Linux最大的区别：
1.这两个系统提供的API（系统函数）截然不同！
比如我在Windows上写一个程序能运行，放到Linux上就不运行不了。
2.比如一些书写的格式不同，Windows Sleep(ms) = > #include <Windows.h>
Linux sleep(s) => #include <unistd.h>
使用Windows一般都是使用图形化界面操作，
使用Linux一般都是命令行操作（命令）（Linux也有图形化界面开发中一般不会使用）
图形化界面，降低门槛，命令行界面，才是生产力工具。

进程

概括为一句话：进程是一个运行起来的程序！！
现代的计算机同时炮哥百十来个进程，很常见，操作系统就需要能够很好的管理上述的进程（多了就需要谈管理），毕竟多了，就容易乱
为了避免乱套，就需要管理。
站在操作系的视角
1先描述出一个进程啥样的，
使用结构体，描述出进程的核心属性，
进程控制块（PCB）非常大的结构体，有很多很多的属性
举个栗子：
一个班级，人也不少，学校需要管理好每个班级的同学情况，

能够知道每个同学的各种信息，如学号、姓名……定义一个结构体/对象
通过对象的各种属性，保存上述信息。
.把这些同学对应的对象，组织起来，通过数据结构的方式组织，
数组、链表、哈希、数据库的表……=>集中存储，便于以后增删改查！
2.再把多个进程组织起来
比如，Linux这样的操作系统，使用链表（不一定是一个链表）这样的形式，吧多个PCB串到一起的。
1）创建一个新的进程
创建一个PCB，初始化PCB中的各个属性把PCB加到链表上
2）销毁一个进程
把这个进程的PCB在链表上找到，并且从链表上删除掉
3）查看进程列表
遍历链表，取出链表上的每个元素，把里面的一些关键信息，显示到界面上。
PCB中的一些关键要点：
1.pid（进程id），进程的身份标识符

2.内存指针（一组指针）
进程就需要知道要执行的指令在哪里，指令依赖的数据又在哪里。
在这里插入图片描述
双击exe，运行一个程序，创建一个进程，

操作系统加载的过程：
操作系统会把exe中的指令和数据，读取出来加载到内存中，后续进程在运行过程中，就会从指令内存区域里一条一条的取
指令并进行执行。
QQ.exe是可执行文件（保存在硬盘上的一段数据）
1）QQ这个程序运行过程中，都要执行哪些指令（二进制的）
exe是程序员写代码生成的
程序员写的代码最终就会编译成二进制指令包含在上述的exe中了
2）这些指令运行过程中，依赖的数据

3.文件描述符表
进程运行过程中，很多时候，需要和硬盘这个硬件设备，也要进行交互，
硬盘上的数据，就是以文件的形式来组织的。
进程在读写文件的时候，就需要先“打开文件”(fopen)
每次打开一个文件，就会把这个文件的信息，保存到文件描述符表中，
表里的每个项，就对应着一个打开了的文件。
操作系统中，会把很多资源，都抽象成文件来表示，不一定是硬盘上的资源；
还有操作系统中，会把很多资源，都抽象成文件来表示，不一定是硬盘上的资源，
网卡、操作系统管理网卡的时候就是当做"文件"一样来管理。
进程的运行，也会依赖到硬盘，网卡等相关的资源设备。
进程运行，执行指令，都是靠cpu的，进程也需要消耗cpu资源。
进程是操作系统中，资源分配的基本单位！！

进程调度

PCB中的进一步的属性
4.进程状态
5.进程优先级
6.进程的上下文
7.进程的几张信息统称为进程调度进程调度是操作系统进行进程管理过程中，需要完成的重要工作。
我的电脑上，进程有百八十个，但是电脑cpu的核心数12个，一个cpu逻辑核心，同一时刻，只能执行一个进程的指令，
12个干活的牛马，如何同时进，行一百多个任务的工作？
在早期的计算机，操作系统“单任务”操作系统，同一时刻只能运行一个进程，要想运行下一个进程就得结束上一个进程。
多任务操作系统（在有多核处理器之前，多任务系统就已经有了）即使cpu只有一个核心，也能同时运行多个进程。
分时复用：
把一个单位时间，分成很多份。第一份，运行进程1的指令，第二份，运行进程2的指令……
cpu运行速度足够快，上述的切换过程，也会非常快，快到超出人类的反应时间。
让人看起立好像这些进程在"同时执行"一样.但是如果我们运行的任务实在是太多了，人也是有可能感知到这个卡顿的过程。

把一个CPU核心上，按照分时复用，执行多个进程这样的方式，称为**并行执行！！**雀食就是"同时执行".现代cpu在运行这些进程的时候，并发和并行是同时存在的。
因为程序员在写代码的时候，无法区分当前这些进程是并行执行还是并发执行，所以也会把并行和并发统称为“并发”。
现在我们开始讲解进程调度中四个属性
4.进程状态：
进程有很多状态，其中两个最典型的：

1）就绪状态->随叫随到，进程就可以随时到cpu上进行执行。在操作系统中，一般不区分就绪和执行都是就绪。
2）阻塞状态->进程当前不适合到cpu上执行。
举个例子：我们在餐厅点餐想象一下你在一家餐厅吃饭，餐厅里有一位服务员（相当于CPU），多名顾客（相当于进程）。
就绪状态：当你已经拿到菜单，考虑好了要点什么菜，并且向服务员举手示意要点餐。这时你就处于"就绪状态"——你已经准备好点餐了，只是在等待服务员过来为你服务。
在计算机中，就绪状态的进程就是已经准备好了所有运行条件，只等待CPU分配时间片来执行它。
阻塞状态：如果你点了一道菜，但这道菜需要厨师现做，需要等待10分钟。这时候你虽然已经点完餐，但需要等待菜做好才能继续用餐过程。这时你就处于"阻塞状态"——你因为等待某个外部事件（菜做好）而暂停了用餐进程。

**5.进程优先级：**这么多进程，他们能够去cpu上运行的机会是均等的吗嘛？
有些进程，就是要优先级更高一些，吃到更多的cpu资源。
比如LOL，同时，电脑上也运行了微信（哪怕微信吃cpu资源少，延迟几秒也能收到消息）；
而LOL，卡了一下，团战就输了，伴随着基地也要爆炸。
6.进程的上下文：
进程调度，一个进程执行一会，失去cpu。过了一段时间之后，进程还会回到cpu上执行。
沿着上次执行到的状态，继续往下执行（而不能是重头执行），进程在CPU中运行的过程中，CPU上的各种寄存器，就表示了当前进程运行的“中间状态”。
**保存上下文：**把CPU中的这些寄存器的值，保存到内存中（PCB的对应属性中）。
**恢复上下文：**把PCB中刚才保存属性，填写回对应的寄存器中。多说一点，寄存器，不只是存储中间结果也会存储中间结果，也会存储当前这个进程执行到第几条指令了，以及当前进程中“函数调用关系”。
举个例子：玩过像《模拟人生》这样的多角色游戏吗？