计算机是如何工作的(2)

news2024/11/15 15:30:14

文章目录

一. 寄存器和存储器
二. 操作系统
二. 进程
- PCB
- - 1. pid
  - 2. 内存指针
  - 3. 文件描述符表
  - 4. 属性
  - - 1) 状态
    - 2) 优先级
    - 3) 上下文
    - 4) 记账信息

一. 寄存器和存储器

存储器是内存和硬盘的通称
内存, 存储空间比硬盘小, 速度比硬盘快, 价格比硬盘高, 掉电后数据流失
寄存器是CPU上的一个模块
寄存器, 存储空间比内存还小, 速度比内存快, 价格比内存更贵, 掉电后数据也流失

内存和硬盘之间的速度, 差3-4个数量级
寄存器和内存的速度, 也查了3-4个数量级

由于寄存器和内存的速度差异很大, 现代的CPU往往还提供了缓存

在这里插入图片描述
在我的CPU上, 有三个缓存, 数字越小, 存储空间也越小, 速度就越快

有些数据, 可能CPU要频繁使用, 每次使用的时候从内存读取, 速度就比较慢, 就可以把这样高频使用的数据放在缓存里(数据使用频率特别高, 放在L1缓存; 数据使用频率没那么高, 考虑放在L2L3里)

当读取指令的时候, 先看看缓存中有没有, 没有就读取内存, 有的话就直接读缓存

二. 操作系统

软件, 是一组指令的集合, 操作系统, 就是软件
操作系统, 要能够管理好各种硬件资源, 让他们很好的相互配合; 也需要管理好各种软件资源, 给每个软件都提供稳定的运行环境

操作系统 = 内核 + 配套的应用程序
内核是操作系统最核心的部分, “管理” 都是在内核里完成的
配套的应用程序例如画图板, 记事本, qq音乐等, 这些应用程序往往要靠内核提供一些功能作为支撑

我们所写的代码, 就是一个"应用程序"
操作系统内核, 给应用程序提供一系列api, 例如有的api是操作显示器, 有的api是用来想用鼠标键盘的
操作系统内核通过驱动程序, 来操作硬件

例如:

System.out,println(“hello world”);

上述代码, 是要操作显示器, 显示器是一个硬件设备, 不是程序直接操作的, 而是你的程序告诉操作系统"我要操作显示器", 操作系统给你完成这个任务
这里是调用java内置的标准库函数, 这个函数的内部本质上, 就是调用操作系统内核提供的api, 告诉操作系统我要控制显示器
这一过程叫做系统调用(system call)
此时就进入操作系统内核了, 内核通过显示器的驱动程序(显卡驱动), 在显示器上绘制出对应的内容(字符串)

应用程序运行的地方----用户态
操作系统内核运行的地方----内核态

二. 进程

一个程序, 运行起来/跑起来, 在操作系统中, 就会出现对应的进程
进程(process), 就是一个跑起来的应用程序
在这里插入图片描述
这里就把当前运行的所有进程都列了出来, 除了自己运行的程序是进程, 还有一些系统自带的/安装的某些程序, 也是进程, 这些程序对你的系统能够稳定的运行有很重要的意义

还可以查看当前进程都占用了哪些系统资源
要想让一个程序运行, 就必须得给这个进程分配系统资源, 包括不限于: cpu, 内存, 硬盘, 网络带宽, 显卡…
所以, 进程可以视为是操作系统进行资源分配的基本单位

那么操作系统上包含了很多进程, 此时就需要考虑"管理"了
对于管理, 操作系统采用: 先描述, 再组织

先描述: 通过一些结构体/类, 把一个进程的核心信息抽象提取出来吗并进行表示(主流的操作系统都是C语言实现的, 所以用结构体, Windows也包含了一部分C++, C为主)
在操作系统中, 通常使用**PCB(进程控制块)**这样的结构体来描述进程

再组织: 通过一定的数据结构, 把多个这样的结构体/类的对象串起来, 方便进一步进行各种增删改查
操作系统通常会使用链表(其实是多个链表综合在一起构成的)这样的结构, 来把多个PCB串起来

例如:

任务管理器中查看进程列表
就是在遍历链表中的每个节点, 并且获取出对应的信息
创建新的进程(双击某个程序运行)
就是应用程序感知鼠标双击操作, 调用操作系统提供的api, 在内核里创建进程, 新的进程会创建出一个新的PCB, 并且添加到上述链表中
销毁某个进程(某个程序退出)
就是要把链表对应的PCB结点删除

PCB

PCB这个结构体中包含了很多信息, 此处我们只讨论几个重要的

1. pid

pid, 进程的id / 标识符
在这里插入图片描述

2. 内存指针

进程运行时, 需要消耗一定的硬件资源, 内存就是一个关键的资源
一个程序, 在运行的时候, 就会被从硬盘(xxx.exe)加载到内存中, 同时也加载了这个程序的 指令 / 依赖的数据
PCB中的内存指针, 就存放着该进程要运行的指令和依赖的数据的地址
这一组指针就告诉操作系统, 该进程要运行的指针在内存的哪个房间, 也告诉系统, 该进程依赖的数据, 又在哪个房间里

3. 文件描述符表

一个进程运行时, 会操作一些文件
文件描述符表就通过一个顺序表这样的顺序结构, 记录下当前的进程, 都打开了哪些文件

4. 属性

我们知道, 进程的数量是远远多于CPU的数量的, 假设逻辑内核有16个

并行执行:
一个核心, 同一时刻, 只能运行一个进程
那么有16个核心, 同一个时刻, 能运行16个进程
并发执行:
但是, 一个核心, 不同时刻, 可以运行多个进程
这一刻执行进程1, 下一刻, 执行进程2, 再下一刻, 执行进程3
CPU将总的执行时间, 切分成若干个小片段, 每个片段执行一个进程, 每个片段称为"时间片"
由于时间片比较短, CPU切换进程的速度极快, 人类感知不到, 那么站在人的角度, 就是这若干个进程在"同时执行", 这种执行方式叫分时复用
并行执行, 微观上, 是同时执行
并发执行, 微观上, 是串行执行, 宏观上是同时执行
往往, 我们把并行执行和并发执行统称为并发执行
把编写解决并发问题的程序, 称为"并发编程"