JavaEE——计算机工作原理

冯诺依曼体系（VonNeumannArchitecture）

现代计算机，大多遵守冯诺依曼体系结构

CPU中央处理器：进行算术运算与逻辑判断

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：计算机给用户汇报结果的设备

针对存储空间：硬盘 > 内存 >> CPU

针对数据访问速度：CPU >> 内存 > 硬盘

CPU基本工作流程

指令（Instruction）

主要有操作码 + 操作数组成，其中操作码用来表示要做什么动作，操作数是本条指定要操作的数据，可能是内存地址，也可能是寄存器编号等

一个CPU能执行哪些指定，可以认为是CPU最初设计的时候，就已经确定好了，存在一个“表格”描述了都有哪些指令

下面是一个简化的指令表（Instruction Table）：

指令(instruction)	功能说明	4位 opcode	操作的地址或者寄存器
LOAD_A	从 RAM 的指定地址，将数据加载到 A 寄存器	0010	4 位 RAM 地址
LOAD_B	从 RAM 的指定地址，将数据加载到 B寄存器	0001	4 位 RAM 地址
STORE_A	将数据从 A 寄存器写入RAM 的指定地址	0100	4 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	1000	2 位的寄存器 ID 2 位的寄存器 ID

tips：

AB名字是虚拟的，真实的cpu寄存器的名字，如：eax、ebx、esp、ebp....）

此处假设每个指令只有 8 bit ，实际一个指定很长

8 bit 的指令，分成两部分，前4 bit 是操作码表示指定是干啥的；后4 bit 是操作数（类似于参数）

执行指令的三个重要阶段

1. 取指令：cpu从内存中读取到指令内容到cpu内部（有专门的寄存器保存读到的指令）

2. 解析指令：识别出这个指令是干啥的，以及对应的功能和操作数

3. 执行指令

执行示例：

给一段内存空间，以及里面的数据

cpu中存在一个特殊的寄存器“程序计数器”，保存了接下来要从哪个内存位置来执行指令，本例可以认为程序计数器被设为0，接下来从0号内存地址开始执行指令，同时随着指令的执行，该处的值会自增更新（这是顺序执行的情况，若遇到“跳转类语句”（if、while、for、函数调用...）会被设为其他的值，本例不考虑）

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1. 初始情况下，程序计数器是0值

a. 读取指令：00101110

b. 解析指令：

c. 执行指令：把14地址的内存数据读出来，放到寄存器A中

第一条指令执行完毕，系统自动将程序计数器中的值++，从0 -> 1

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2. 执行地址为1的指令

a. 读取指令：00011111

b. 解析指令：0001    1111

查看指令表可知，该指令是LOAD_B，把1111地址上的数据读取到寄存器B中

c. 执行指令：把15地址的内存数据读取出来，放到寄存器B中

第二条指令执行完毕，系统自动将程序计数器中的值++，从1 -> 2

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3. 执行地址为2的指令

a. 读取指令：100000100

b. 解析指令：

c. 执行指令：

将17的二进制存储到寄存器A中

第三条指令执行完毕，系统自动将程序计数器中的值++，从2 -> 3

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4. 执行地址为3的指令

a. 读取指令：01001101

b. 解析指令：

查看指令表可知，该指令是STORE_A，将数据从A寄存器写入1101地址的内存中

c. 执行指令：

第四条指令执行完毕，系统自动将程序计数器中的值++，从3 -> 4

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5. 执行地址为4的指令

a. 读取指令：00000000

b. 解析指令：程序执行结束

上例就是CPU完成 3 + 14 的过程

操作系统（OperatingSystem）

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

一个操作系统要做很多事，其中最重要的就是“管理”：

1. 管理不同的硬件设备：键盘、显示器、打印机、医疗设备...

2. 给软件提供稳定的运行环境，现代操作系统上要同时运行很多程序，希望这些程序之间不能相互干扰

操作系统 = 内核 + 配套的应用程序

对于操作系统内核来说，其包含的功能是非常多的，其中有一个功能和日常开发息息相关，那就是进程管理

进程/任务（Process/Task）

进程就是正在执行的应用程序，进程是操作系统进行资源分配的基本单位

由于一个系统上进程比较多，需要管理，分为两部分：

1. 描述：通过 结构体/类 ，把进程的各种属性表示出来（对于Linux操作系统来说，使用“PCB(继承控制块)”这样的结构体来描述进程信息

2. 组织：通过数据结构，把多个结构体穿起来，并进行增删查改操作（可以简单的认为，是通过链表的方式，把上述多个PCB串到一起，实际情况会更复杂）

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PCB中的关键信息

1. PID进程的标识符

同一时刻，一个机器上的多个进程之间，PID是唯一的，不会重复的，系统内部很多操作都是通过PID找到对应的进程的

2. 内存指针（一组）

描述进程依赖的指令和数据都在内存的哪个区域

操作系统运行exe就会读取exe中的指令和数据，加载到内存中（侧面表示出，进程的执行需要一定的内存资源）

3. 文件描述符表（顺序表/数组）

描述了进程打开了哪些文件（对应到硬盘上的数据，侧面表示出，进程的执行，需要一定的硬盘资源）

进程中，打开了某个文件，就会在顺序表中添加一项

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tip：进程的调度

操作系统进程调度的关键：分时复用

并发执行：只有一个核心的cpu，一会运行进程1，一会运行进程2，一会运行进程3...由于cpu运算速度非常快，使得切换速度也非常快，肉眼察觉不到，站在宏观角度（人的角度），同时执行，称为并发执行

并行执行：现在有了多核心的cpu，此时，每个核心和核心之间，微观上也能同时执行不同的进程，称为并行执行

并发和并行都是操作系统内核同意调度的，程序员/普通用户，感知不到

因此，平时把并发和并行统称为“并发”，对应的编程手法也成为并发编程

以下4点均属于进程的调度

4. 进程状态

就绪状态：随时可以被调度到cpu上执行指令

阻塞状态：无法调度到cpu上执行，之所以阻塞，是因为要做一些其他的工作，比如：IO操作（读写硬盘/读写网卡...）

像C中的scanf和Java中的Scanner执行到这样的语句都会发生阻塞

除了上两种状态，进程还有其他的状态，此处不展开

5. 进程优先级

根据进程情况，给与相应的优先级

6. 进程的上下文

分时复用，一个进程执行一会之后，就从cpu上调度走，过一段时间，会调度回cpu，沿着上次执行的结果继续往后执行，将上次执行的中间结果（各种cpu寄存器中的值）保存起来，以备下次使用，此为进程的上下文

7. 进程的记账信息

在优先级的加持下，使得不同进程吃到的资源擦会议越来越大，操作系统统计每个进程在cpu上执行的时间，根据这个来进一步的调整调度的策略

以上7中属性相互配合，共同构成了进程调度的核心逻辑

上述的调度过程均为系统内核负责完成