目录

一，计算机是如何组成的

1.1，CPU中央处理单元

1.1.1，CPU的构成和属性

1.1.2，如何判断cpu的好坏

1.1.3，指令

1.1.4，CPU的缓存

1.2，操作系统

1.2.1，进程

1.2.2，PCB的核心属性

1.2.3，内存分配-内存管理 和进程间通信

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一，计算机是如何组成的

在冯诺依曼的体系中，计算机由CPU，存储器，输入设备和输出设备组成

1.1，CPU中央处理单元

1.1.1，CPU的构成和属性

门电路=>半加器=>全加器=>加法器=>ALU运算器=>差不多构成CPU

这是电脑是计算机的属性：

AMD指的是生产CPU的厂商，记住主要的厂商是intel 和 amd，它们生产的区别是intel的针脚长在主板上，amd的针脚长在CPU上

7840H是指这是标压处理器，通过H这个后缀进行判断，其中还有U系列，不同的字符代表不同的性能和功耗级别，U表示的是低压CPU

3.80GHz表示的是CPU的主频，也就是指CPU一秒钟可以执行多少条指令，执行的每个次数，又被称为时钟周期

1.1.2，如何判断cpu的好坏

判断CPU的好坏有很多指标，但最关注的只有两点：主频 和 核心数

在打开任务管理器找到CPU的时候，可以看见CPU的数据：

其中3.32GHz和之前查看处理器的性能时的主频不一样，是因为cpu主频都是在时刻改变的~~它会根据当前任务的负载程度，动态变化

3.32GHz就是指运行是当前的频率，又被称为睿频

CPU的频率是有上限的，不同的CPU上限不一样，甚至有的CPU还可以超频，给CPU吃更多的电，CPU就有更强的表现

内核指的就是CPU的核心数

其实最开始的时候cpu都是单个核心的(核心可以理解为一个能够完成完整计算机功能的整体，是由很多的计算机单元构成的)，提高集成程度，就提高cpu的速度

随着时代的发展，随着集成程度的提高，发现进一步提高，就越来越难了~~减小单个计算单元的体积，势必就会增加工艺的难度~~当体积小到一定的程度的时候，经典力学就失效了，量子力学就接管了

于是一个核心不够，就多个核心来凑

内核就是指cpu上焊上去的核心，现在的cpu有一个"超线程技术"，可以让一个核心顶两个核心，就指的是内核下方的逻辑处理器

1.1.3，指令

指令(Instruction)是cpu上能够执行的任务的最小单元，这些最小单元都是由二进制的方式来表示的机器语言(不同的cpu支持的指令/机器语言是不相同的)

简单模拟cpu执行指令的过程:（这是简化的版本，真实的X86或者arm的指令表要复杂很多）

RAM：内存  

寄存器：cpu上的存储数据的单元，cpu上能直接存的数据比较少，这些寄存器主要是为了支持cpu完成一些运算，保存中间结果的，它的空间虽然有限，但是访问速度是极快的，比内存访问速度要快上3-4个数量级

这一段指令  其实就是内存中的一段数据的单元~~我们写好的代码，最终想要运行，都是需要让操作系统，先把写好并编译好的指令加载到内存中，然后cpu才能执行的                                                                                                                                     假定，从0号地址开始执行程序，cpu就会先从0号地址这里读取数据，到cpu寄存器里，并对这个指令  进行解析=>查询指令表，看这个指令要干嘛        0010  1110，前4位对应的是opcode，0010即指LOAD_A 要完成的工作，从内存中，读取数据到A寄存器中，后4位是参数，是内存地址，转换为十进制，1110就是14                                                   那么这里就是指将14地址内存的数据读取到A寄存器当中                                                                      默认情况下，cpu执行内存中的指令是''顺序执行''的,除非遇到跳转类的指令                                   后面的LOAD_B和STORE_A执行也是同理了                                                                                         ADD指令中，1000 01 00，1000指执行ADD，01和00分别指向不同的寄存器，其中寄存器的编号都是在指令表里提前要约定好的，将两个寄存器里面的内容相加，结果保存到第二个操作数的寄存器中

1.1.4，CPU的缓存

当时的计算机，在cpu执行指令的时候，要经历从内存中读取数据的操作，这个设定，就是冯诺依曼体系的精髓   最初设计该结构，就是为了把"执行"和"存储"分开，这么做主要是为了"解耦合"来降低硬件设计的成本  且当年的cpu执行指令的速度和存储器取指令的速度是差不多的，配合很好

随着硬件技术的发展，cpu越来越快，内存读取数据提升不明显，内存逐渐跟不上cpu的节奏了

于是出现缓存，通过临时存储经常访问的数据，提高数据检索速度和应用程序性能

1.2，操作系统

像windows10，windows11，linux，mac os，android，ios都是操作系统，这些操作系统，本质上都是用来搞管理的软件

操作系统的功能主要是两点：

1.对下管理所有的硬件设备

2.对上要给软件提供一个稳定的运行环境

对于第一点，操作系统毕竟是一个软件，不可能认识市面上的所有的硬件设备

但是操作系统知道，市面的硬件设备就这么几个大的类别，每个大类别下面的硬件设备大概有哪些功能

硬件厂商就需要在开发硬件的时候，同时开发一个驱动程序，专属于这个硬件设备，让操作系统通过这个驱动程序完成对硬件设备的控制，也就是指操作系统统一管理各种不同的硬件设备给软件提供统一的api

注：由于JVM已经把系统api封装了，完成同样的功能，就直接调用jvm的api即可，不需要学习系统原装的，（天然跨大平台）在windows上能跑，换成linux等其他的也能够跑

1.2.1，进程

进程是操作系统提供的一种"软件资源"

如今我们使用的系统，都属于是"多任务操作系统"，也就是同一时刻，可以同时运行多个任务

电脑上每一个正在运行的程序，就可以称为是"任务",也叫做"进程"

与之对应的，就是"单任务操作系统"，同一时刻，只能运行一个程序

每个任务在执行过程中，都需要消耗一定的硬件资源

换而言之，计算机中的每个进程，在运行的时候，都需要给他分配一定的系统资源

因此，进程是系统分配资源的基本单位

操作系统的进程管理：

1.先描述(使用类/结构体这样的方式，把实体属性给列出来)

操作系统，一般都是C/C++实现的，因此可以使用结构体

表示进程信息的结构体，称为PCB(进程控制块，Process Control Block)

2.再组织(使用一定的数据结构，把一些结构体/对象 串到一起)

当我们看到任务管理器中的这些进程的时候，意味着系统内部就在遍历链表，并且打印每个节点的关键信息

如果运行一个新的程序，于是系统中就会多一个进程，多的这个进程就需要构造出一个新的pcb，并且添加到链表上

如果某个运行中的程序退出了，就需要把对应进程的pcb从链表中删除掉，并且销毁对应的pcb资源

此次的表述是一个简化版本，事实上组织方式更加复杂(不是一个链表，是更加复杂的链式结构)

进一步了解进程，就要去了解PCB

1.2.2，PCB的核心属性

pid：进程的身份标识，此处通过一个简单的不重复的整数来进行区分的。

系统会保证，同一个机器上，同一时刻，每个进程的pid都是唯一的~~

内存指针：描述了进程使用内存资源的详细情况，进程运行过程中，需要消耗一些系统资源的，其中内存就是一种重要的资源，只要从系统中申请，系统分配一块内存，才能使用，每个进程都必须使用自己申请到的内存.内存指针，就是用来描述说你这个进程，都能使用哪些内存，一个进程跑起来的时候，需要有指令也需要有数据（指令和数据都是要加载到内存中的），进程也需要知道，哪里存的是指令，哪里存的是数据

文件描述符表：描述了进程所涉及的硬盘相关的资源，我们的进程经常要访问硬盘，而操作系统，对于硬盘这样的硬件设备，进行了封装=>文件，不管是哪种盘，都是统一进行的抽象，都是按照"文件"的方式来操作的

一个进程想要操作文件，就需要"打开文件"，就是让你的进程在文件描述符表中分配一个表项(构造一个结构体)表示这个文件的相关信息

正因为进程是系统分配资源的基本单位，所以内存，硬盘就会在PCB中有所体现

过渡：

在任务管理器，可以看到进程消耗了cpu的资源

cpu就像一个舞台，而要执行的指令，就是演员，而指令是进程来执行，演员也就是进程

一个cpu可能有一个核心，也可能有多个核心~~

每个核心都是一个舞台，演员需要登上舞台，才能够进行表演，但同一时刻，一个舞台上，只能有一个演员

假如一个电脑上有16个逻辑核心，而系统上的进程，远远不止16个，不够分怎么办

所以，这里就涉及到一个非常关键的概念~分时复用（并发）

当cpu核心只有一个时，先执行进程1的代码(进程1，登台表演)，执行一会后，让进程1下来，进程2上，进程2执行一会后，进程3上，以此类推

只有切换速度足够快，人是感知不到这个切换的过程的，在人眼中，多个任务/进程，就是"同时执行"的，而当进程太多，cpu负担太重，就会出现"卡顿"

随着多核cpu出现，同时执行的进程就变得更加复杂了

如有4个舞台，同时就可以有四个不同的进程，在各自的舞台上进行执行，此时，微观上，这几个进程也是"同时执行的"，而不是靠快速切换模拟的"同时执行"，被称为并行执行

与之对应的，前面的并发执行，仍然存在，每个核心仍然要分时复用，仍然要快速切换

所以当前现代的计算机的执行过程，往往都是并发+并行同时存在的，而对于两个进程是并行执行还是并发执行就都是看系统的调度的

因此，往往就把"并行"和"并发"统称为"并发"

所以此次cpu的百分数，就是指你的进程在cpu舞台上消耗的时间的百分比                      如果有一个进程，把cpu吃到了100%，意味着其他进程都没有执行的时间了，很可能就会造成系统卡顿，于是就要用到进程的调度，分时复用，并发执行

对此，PCB中就需要提供一些属性，来支持系统对这些进程的调度：

状态：描述某个进程是否能够去cpu上执行

状态中重要是就绪状态和阻塞状态

就绪状态：随时准备好去cpu上执行，操作系统打声招呼就可以上了

阻塞状态：这个进程，当前不方便去cpu上执行，不应该去调度他（比如，进程在等待IO，来自控制台的输入输出）

优先级：对于多个进程等待系统调度，调度的先后关系，先调度谁，后调度谁，谁长，谁短，都是可以进行调配的（系统的api可以设置）

记账信息：针对每个进程，占据了多少cpu时间，进行一个统计。会根据这个统计结果来进一步的调整调度的策略~~

因此就需要在下一个轮次进行调整，确保每个进程都不至于出现完全捞不着CPU的情况的

上下文：进程从cpu离开之前，需要保存现场，把当前cpu中各种寄存器的状态，都记录到内存中

等到下一次进程回到cpu执行的时候，此时就可以把保存的这些寄存器的值恢复回去，进程就会沿着上次执行到的位置，继续往后执行

就相当于存档和读档

结合前面指令执行，知道每个进程在运行过程中，就会有很多的中间结果，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

然而执行完3加14后，进程就被调度出了cpu

操作系统调度进程，过程可以认为是随机的，任何一个进程，代码执行到任何一条指令的时候都可能被调度出cpu，因此，就需要在进程调度出cpu之前，把当前寄存器中的这些信息，给单独保存到一个地方（存档）

在进程调度回cpu的时候，继续之前的进度来执行，在该进程下次再去cpu执行的时候，再把这些寄存器的信息给恢复过来（读档）

"保存上下文"：就是把cpu的关键寄存器中的数据，保存到内存中（PCB的上下文属性中）

"恢复上下文"：就是把内存中的关键寄存器中的数据，加载到cou对应的寄存器中

1.2.3，内存分配-内存管理 和进程间通信

内存管理的核心结论：每个进程的内存，都是彼此独立的，互不干扰的

通常情况下，进程A不能直接访问进程B的内存，为了系统的稳定性，如果某个进程代码出现bug，出错影响的范围，只是影响到自己的这个进程，不会影响到其他进程，这种情况，也称为"进程独立性"

进程间通信：

虽然有进程的独立性，但是有时候也需要，多个进程相互配合，完成某个工作

进程间通信与进程的"独立性"并不冲突，系统提供一些公共的空间(多个进程都能访问到的)，让两个进程借助公共空间来交互数据

上述只是进程的序幕，实际上，在JAVA中不太鼓励"多进程编程"

线程 更加重要了，详细看线程单独的文章