【JavaEE初阶系列】——计算机是如何工作的

🎈冯诺依曼体系

❗外存和内存的概念

❗CPU中央处理器—人类当今科技领域巅峰之作之一

🚩如何衡量cpu

🚩指令（Instruction）

🎈操作系统（Operating System）

🎈什么是进程/任务（Process/Task）

❗进程控制块抽象(PCB Process Control Block)

🎈虚拟地址空间

🎈线程

❗为啥要有线程

🎈线程和进程的区别

🎈冯诺依曼体系

说到计算机，我们要认识一个计算机的祖师爷，那就是冯诺依曼。

著名的冯诺依曼体系（Von Neumann Architecture）构成了计算机工作的原理。

现代的计算机 , 大多遵守 冯诺依曼体系结构

CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断.
存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)
输入设备: 用户给计算机发号施令的设备.
输出设备: 计算机个用户汇报结果的设备.

我之前的有个文章冯诺依曼体系结构具体详细点开链接。

关于冯诺依曼，要强调的几点：

这里的 存储器指的是内存，不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)，外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
一句话， 输入输出设备都只能直接和内存打交道（cpu不能直接访问到外设）

cpu速度>存储器速度> 外设速度（为什么有内存的原因）

CPU的运算速度是非常快的，要远大于外设，那么我们进行输入之后，CPU很快就将问题给解决了，然后传递给输出设备，这个时候又有数据从输入设备进行输出，CPU解决之后，上一次的数据输出设备还没有输出完毕。所以就需要一个速度不是特别快，也不是特别慢的中间物质来进行一个存储。就跟木桶原理很相似
这个桶能装多少水，取决于最低的那个木板，因为外设的速度将问题输入之后，由存储器来获取内存，然后CPU从存储器中获取要处理的数据，处理完成之后，将数据返回给存储器，再由外设接收，这样，无论什么时候，CPU只从存储器中获取数据，这样就能大大的提高计算机的效率。

我们可以理解为：内存的引入就是为了解决CPU和外设速度不匹配的问题。

针对存储空间

硬盘 > 内存 >> CPU

针对数据访问速度

CPU >> 内存 > 硬盘

❗外存和内存的概念

其实我们之前所说的内存其实是外存，只是外存和内存被人统一说成内存了，除了特殊情况下，被说成外存。

外存其实就是冯诺依曼体系结构中的输入和输出设备。而内存则是存储器。

与cpu的关系不同：在电脑中，CPU负责运算和处理，内存负责数据交换。两者属于协作关系，内存相当于是CPU的数据存取通道。而外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。

易失性不同：内存，是具有易失性的。这意味着当系统断电时，数据就会丢失。外部存储是非易失性的，因此即使没有电源，它也能保存数据（磁盘中的所有东西不会因为我关机了就会消失，而是永久存在，除非你删了）；
访问权限不同，CPU只能直接访问内存，外存的东西要先到内存CPU才能处理（这就是符合冯诺依曼体系结构，内存解决了cpu和外设速度不匹配的问题）

❗CPU中央处理器—人类当今科技领域巅峰之作之一

中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

一个计算机能否工作，很大一部分是由cpu决定的。这样看来，cpu在电脑工作上起了很大的作用。

🚩如何衡量cpu

衡量cpu有很多指标。最最关注的指标有俩个：主频和核心数

就拿我的电脑的中央处理器做比例吧

🚩指令（Instruction）

我们上面谈到了cpu的俩个重要指标，主频，2.5GHZ主频，就相当于cpu能在1s内可以执行25亿指令。

cpu上能够执行的任务的最小单位

一个cpu设计的时候，就会提供一些可以进行的操作（执行哪些指令）比如：加法指令，读取内存指令。写入内存指令，条件判断/跳转指令，函数调用指令，堆栈操作指令.......

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）

其实cpu就是一个憨憨吧，你给他发布一个任务，就需要你把任务分成非常非常细致的每个部分，才能让他执行。就比如我让张老师给我做西红柿炒鸡蛋，放进计算机中编程思维就是，cpu，你要准备菜西红柿和鸡蛋，然后你要去洗菜，然后洗锅，然后你插电，放油.....等等一步一步的操作进行。

🎈操作系统（Operating System）

操作系统是一组做计算机资源管理的软件 的统称。目前常见的操作系统有： Windows 系列、 Unix 系列、 Linux系列、 OSX 系列、 Android 系列、 iOS 系列、鸿蒙等

本质上就是用来搞管理的软件

操作系统帮助用户，管理好下面的软硬件资源(手段) （对下）
为用户程序(应用程序)提供一个良好(稳定,高效,安全)的执行环境(目的) （对上）

🎈什么是进程/任务（Process/Task）

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象，换言之，可以把进程看做程序的一次运行过程； 同时，在操作系统内部， 进程又是操作系统进行资源分配的基本单位。

一个跑起来的程序就是进程

程序：是应用程序，没有点开运行的就是程序

进程：一个跑起来的程序就是进程

一个电脑一开机就有百八十个进程正在运行，有的是系统自己创建的，有的是自己手动的，每个进程要想执行都需要消耗一定的资源（进程是资源分配的基本单位），就比如疫情封城，小区发菜，以政府为单位发菜，然后发给小区，然后发给家庭。都是资源分配。

那我们有没有想过一个问题，进程是如何管理的呢？

管理有俩个角度：

描述使用类/结构体，把被管理的一个对象，各个属性都表示除了
组织使用数据结构，把这些表示出来的对象，串起来（为了后续的增删查改）

系统中专门有一个结构体（操作系统内核是c/c++）描述进程的属性。

这个结构体统称为 PCB（进程控制块）

❗进程控制块抽象(PCB Process Control Block)

人是通过属性认识的，当属性足够多，这一对属性的集合就是目标对象
描述进程——多个属性合起来

进程信息被放在一个叫做进程控制块的数据结构中，可以理解为进程属性的集合。课本上称之为PCB（process control block），Linux操作系统下的PCB是: task_struct

计算机内部要管理任何现实事物，都需要将其抽象成一组有关联的、互为一体的数据。在 Java 语言中，我们可以通过类/ 对象来描述这一特征。

// 以下代码是 Java 代码的伪码形式，重在说明，无法直接运行
class PCB {
    // 进程的唯一标识 —— pid;
    // 进程关联的程序信息，例如哪个程序，加载到内存中的区域等
   // 分配给该资源使用的各个资源
    // 进度调度信息（留待下面讲解）
}

每一个 PCB 对象，就代表着一个实实在在运行着的程序，也就是进程。进程里面有很多属性，一个进程可以有一个PCB或者多个PCB。
操作系统再通过这种数据结构，例如线性表、搜索树等将 PCB 对象组织起来，方便管理时进行增删查改的操作。
创建进程，就是再创建PCB，并且将PCB插入到链表中，销毁进程，就是将PCB从链表中删除并释放，展示进程列表，就相当于遍历链表的每个节点。

想要进一步了解进程的明确特征，就要讨论一下PCB里面的属性。

pcb是一个庞大的结构体，包含了很多的属性，

1.pid(进程标识符)

进程身份标识每个进程都会有一个pid，同一时刻，不同进程的pid是不同的。

2.内存指针：(进程持有的内存资源）

每个进程在运行的时候，都会分配一定的空间

3.文件描述符表(进程持有的硬盘资源）

.....pcb还引入了一些属性，用来支持操作系统实现进程调度的效果。为什么需要进程调度呢？因为

一个电脑进程太多，cpu核心数太少(狼多，肉少），就需要让这些进程轮番在cpu上执行，只要轮转的速度足够快，宏观上(用户眼中），看起来就是这些进程是"同时"执行。——并发。

1.进程的状态

就绪状态：随叫随到，呼之即来，挥之汲去。

就绪状态分俩种情况：第一种情况是进程正在cpu上执行，第二种情况是进程没在cpu上执行，但是时刻准备着去cpu上执行。

阻塞状态：某个进程，某种执行条件不具备（例如进程等待用户输入），就导致这个进程暂时无法参与cpu的调度执行。（比如命令行让你输入密码，你一直不输入，那么就说明处于阻塞状态）

2.进程的优先级

操作系统在调度多个进程的时候并非一视同仁的，有些进程会给更高的优先级，优先调度。电脑同时运行dota2（优先级更高)和qq(更低)，后收到信息。

3.进程的上下文

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。等到下次进程回到cpu上执行的时候，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的位置，继续往后执行。（我们手机上的计算器，我们将计算器进程从后台清除后，我们下次再打开计算器的时候，我们发现还是会保留原来的值，这就是上下文的运用）——存档，读档。

4.进程的记账信息

通过优先级机制，对不同的进程分配了不同权重的资源，有可能会出现极端的情况，所有资源都给某个进程，其他进程一点都没捞着。记账信息会记录当前进程持有的cpu情况（再cpu执行了多久）就可以作为操作系统调度进程的参考依据

比如我们有三个好朋友，但是一个星期，一周四天都和朋友A玩，俩天都和朋友B玩，1天就呆在家里，那么朋友C怎么办，这样长期下去C对我的热情就会降低，就会和他自己的好朋友玩耍，所以我们要适当的安排点时间给朋友C。

🎈虚拟地址空间

比如说进程A和进程B分别分配了固定的内存大小，但是B进程越界访问了A进行的内存，把A内存写坏了(写成错误的值了），A进程就可能崩溃了。

操作系统的作用就来了，操作系统要给进程提供稳定的运行环境。

所以操作系统就引入了"虚拟地址空间"概念，不是直接分配物理内存了，而是分配虚拟的内存空间。

A操作某个内存中的数据，就需要把操作的虚拟地址给操作系统，操作系统再把虚拟地址翻译程物理地址(有一个类似于hash表这样的映射结构）在操作物理地址。

操作系统其实就是用来检查/检验了，就需要看看当前的虚拟地址是否能顺利完成翻译，如果给定的虚拟地址是非法的，是一个越界访问，系统就能及时发现，并且对当前进程进行处理，就不会波及其他的进程。

通过上述方式，我们把进程之间隔离开了，如果某个需求中，确实就需要让多个进程相互配合，此时就不好搞了，此时就需要引入新的机制，来实现进程之间的通信。具体的实现方式有很多，但是每个方式的核心思想都是一样的。都是需要借助一个公共的空间，完成数据的交互。

就比如给菜谱老板，发个微信，写上要买啥，老板直接把菜送到小区门口，可以放到保安厅里，我也就可以从保安停拿到菜。

🎈线程

一个进程包含一个或多个线程。前面谈到进程调度，前面的讨论都是基于”一个进程里只有一个线程"的情况，实际上，一个进程中是可以有多个线程的，每个线程都是可以独立进行调度的。

每个线程也有状态，优先级，上下文，记账信息....

一个进程使用pcb来表示，一个进程可能使用一个pcb表示，也可能使用多个pcb表示。每个pcb对应到一个线程上，每个线程都有这些信息用来辅助调度 。除此之外，前面谈到了pid，是相同的，内存指针，文件描述符表也是共用同一份的。

所以衍生的 线程的特点：

1.每个进程都可以独立的去cpu上调度执行
2.同一个进程的多个线程之间，共用同一份内存空间和文件资源。（创建线程的时候，不需要重新申请资源了，直接复用之前已经分配好的进程资源，省去了资源分配的开销，于是创建的效率更高了）

所以 线程是调度执行的基本单位

因为量多，所以一个生产线是不够的，我们的方案一就是再建个院子，然后再院子里创建一个生产线，但是把，再建个院子成本比较高，物流线也是需要成本的。

所以我们就可以再同一个院子里再建立一个生产线，这俩个生产线是独立的，各自都能进行生产，这俩个生产线公用的是一个院子，共用的是一组工人，共用的是一套物流体系，此时我们就可以提高生产力。所以引申到进程中，当我们刚创建一个线程的时候，相当于是和进程一起创建的，还是需要有一定的开销去申请资源的（这个帐是记在进程头上的）后面再创建进程，开销就省下了，因为每个线程是独立的，但是共用同一份资源。