《JavaEE》----1.＜计算机是怎样工作的＞

前言：

大家好，我目前在学习java。我准备利用这个暑假，来复习之前学过的内容，并整理好之前写过的博客进行发布。如果博客中有错误或者没有读懂的地方。热烈欢迎大家在评论区进行讨论！！！ 喜欢我文章的兄弟姐妹们可以点赞，收藏和评论。如果感觉有所收获可以关注我呦。我会持续更新滴，望支持！！！！！！一起加油呀！！！！

语言只是工具，决定你好不好找工作的是你的能力！！！！！

学历本科及以上就够用了！！！！！！！！！！

本篇博客会简单介绍计算机是如何工作的、计算机的发展史、cpu的工作原理、组成、操作系统、存储器、输入设备、输出设备，

计算机的发展史

计算在过去也是普遍存在的，让我们看看计算工具是如何一步步发展知道今天的计算机的。

下面是计算工具的大致发展过程图。

冯诺依曼体系

现代的计算机, 大多遵守 冯诺依曼体系结构

中央处理器CPU：进行算数运算和逻辑判断。 存储器：分为内存和外存，用于存储数据（采用2进制存储） 输入设备：用户给计算机发送指令的设备。 输出设备：计算机给用户汇报结果的设备。

一、一台计算机的组成

硬件部分：

1. 中央处理器（CPU）：计算机的核心部件，负责执行指令、处理数据和控制各种硬件设备。

2. 内存：临时存储数据和指令，用于CPU执行过程中的读写操作。内存主要包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

3. 输入设备：将外部数据转换为计算机能够识别的形式，并输入到计算机系统中。常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等。

4. 输出设备：将计算机处理后的数据以适合人类阅读或其他设备使用的形式输出。常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。

5. 存储设备：用于永久性地存储数据和程序。常见的存储设备包括硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘、U盘等。

6. 通信设备：负责计算机系统与其他设备或网络之间的数据传输。常见的通信设备包括网卡、路由器、调制解调器等。

软件部分：

1. 操作系统：计算机系统的基础软件，负责管理硬件资源、提供用户接口和运行应用程序等功能。常见的操作系统包括Windows、macOS、Linux等。

2. 应用程序：针对特定任务或需求开发的软件，如文本编辑器、图像处理软件、游戏等。

3. 系统软件：为计算机系统提供基本功能和服务的软件，如驱动程序、编译器、数据库管理系统等。

4. 工具软件：用于辅助用户完成特定任务的软件，如杀毒软件、压缩软件、文件管理器等。

5. 编程语言与开发环境：用于编写和调试计算机程序的软件和工具，如C++、Java、Python等编程语言和相关的集成开发环境（IDE）。

1.1 CPU

又叫中央处理单元，它是人类当今科技领域中的巅峰之作之一。能早CPU的国家没几个，虽然技术门槛非常高，但是却很便宜。（cpu通过大规模量产，降低成本，且升级换代非常快，每一代提升都很大，这使得旧版本cpu价格又会大幅度降低。）

主要厂商：intel和amd，高通（做手机的cpu）苹果（M2芯片和intel amd之类的没法相提并论..价格高，性能一般）。

Intel CPU首先是产品线

给服务器用：叫志强 给家用：叫酷睿 给嵌入式低功耗设备：叫赛扬

其中酷睿首先分代数，其次

i3：入门级 i5：普通级 i7：高端级 i9：旗舰级 一般来说13代i5＞12代i7 为什么分i3和i5，i7，i9呢？ cpu加工时有一个”良品率“cpu内部有非常精密的结构，存在大量的计算单元，每一个计算单元的体积都极小，给加工制造带来非常大的难度~~光刻机是制作cpu中非常重要的一个环节，制造这一个cpu，上面的计算单元不可能全是好的，通过软件/硬件把坏的计算单元屏蔽掉。好的便是i9，其次便有了i7，i5，i3。

摩尔定律

cpu这类芯片，每隔18个月，集成程度就能提高一倍，计算效率就接近提高一倍，同时成本下降一半。指数级增长。

归纳起来，“摩尔定律”主要有以下3种“版本”： 1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番； 2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半； 3、用一美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两番

cpu发展这么多年，50年+，摩尔定律始终生效。

ps：不要买品牌整机，很坑，贵，东西还不好。不如自己组装，或者买组装好的整机。

现在计算机硬件发展极快。

ps：垃圾佬：他们通过低价买一些性能还能打的硬件设备，组装出性能还不差的主机~~

如何衡量CPU性能？

重点

①主频：假如2.50GHz，可以简单理解成一秒钟cpu可以执行25亿条指令。现在的cpu主频都是在时刻改变的，根据当前任务的负载程度，动态变化~~，任务管理器可以看到实时频率叫睿频。cpu越好，cpu睿频上限越高。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。

PS：笔记本cpu中U这个后缀，表示低压CPU。

②核心数：最开始cpu都是单个核心，（核心可以理解成一个能完整计算功能的整体，是由很多的计算单元构成的，提高集成程度，提升cpu的速度。但随着时代的发展，随着集成程度提高，发现进一步提高越来越难）减小单个计算单元的体积，势必就会增大工艺的难度~~当体积小到一定程度，经典力学就失效了。量子力学接管战场...因此基础物理限制了我们的工艺水平。一个核心不够，那就多个核心来凑，1核=>2核=>4核=>8核...又给摩尔定律续命一波。

在任务管理器中我们可以看到

内核（物理核心）：是cpu焊上去的核心 逻辑处理器（逻辑核心）：现代cpu有一个超线程技术，可以让核心一个顶俩

13代intel cpu有大小核技术，大核一个顶俩，小核一个顶一个，如果要做复杂任务就会用大核（耗电多，发热高），简单任务用小核（耗电少，发热低）尤其是笔记本。

学校学的课程对应的cpu

（高数，大学物理，模电，数电，机组，计算机系统结构，微机原理和接口技术都是在讨论cpu）是一个上古时期的cpu，不是现在的cpu。8086 是intel之前一个比较知名的产品，70年代的cpu。差异还是非常大，涉及到汇编语言（CPU指令）要想运行就得用模拟器之类的东西。当然可以先学好之前简单的cpu，便于理解现代更复杂的CPU。

CPU 基本工作流程

首先介绍cpu工作流程所要用到的部件

①逻辑门

电子开关

通过电子开关，我们可以实现 1 位(bit) 的逻辑运算

门电路：包括与门、非门、或门、异或门等等。

②算术逻辑单元 ALU：

ALU 是计算机中进行算数、逻辑运算的核心部件，是计算机的数学大脑。

我们可以通过连接电子开关、门电路、算术逻辑单元ALU

算数单元，负责计算机里的所有数字操作，比如四则运算，当然它能做的远远不止这些。

比如8 位（bits）的加法器

逻辑单元(Logic Unit)

逻辑单元主要用来进行逻辑操作，最基本的操作就是 与、或、非操作，但不只是一位(bit)数的比较。

③寄存器(Register) 和内存(RAM)

光有 ALU 还是远远不够的，我们无法为 ALU 提供存储的部件。利用门电路可以制作存储器。不过这些存储都是要求必须保持通电状态的，也就是这些存储都是易失的（volatile）。

下面简单说一下简单说明 下存储的制作。

中间我们隐藏了一些实现细节，最后的效果就是：使能线置位时，输入为 1，保存 1；输入为 0，保存 0。使能线不置位时，则写入无效。 我们可以利用门锁，构建我们需要的寄存器和内存。

内存的构建要比这个复杂一点，但基本原理一致。如此构建的内存被称为 RAM(Random Access Memory)，可以支持 O(1) 时间复杂度访问任意位置的数据，这也就是我们数组下标访问操作是 O(1) 的硬件支持。

上面的说明都隐藏了大量的实现细节 。感兴趣的朋友可以进行深入了解。

④控制单元 CU(Control Unit)

我们现在有 ALU、存储了，但这还是不足以让我们的计算机工作起来，我们需要有一个部件来指挥 ALU 进行何种的运算，而这个部件就是控制单元(CU)。

CU 如何由门电路从无到有搭建，我们就进行抽象了，我们只需要理解 CU 可以驱动 ALU 进行具体 的计算工作

指令（Instruction）

我们知道CU 可以驱动 ALU 进行具体 的计算工作。

我们先介绍下我们需要到的指令(instruction)。 指令是cpu上能够执行的任务的最小单元

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。

比如：加法指令，读取内存指令，写入内存指令，条件判定/跳转指令，函数调用指令，堆栈操作指令......

最小单元由二进制的方式来表示叫做机器语言

不同架构的cpu支持的指令/机器语言是不相同的。

CPU 的基本工作流程

演示指令运行的一个周期。

总结指令的运行周期。

当然，电子计算机中的 CPU 可不像我们刚才那样，靠自己来驱动这个周期的运转，而是靠背后一个时钟 来进行周期驱动的。

知乎问答：时钟频率是什么

主频：

粗略的讲，cpu主频就是时钟震荡的每秒次数。可以近似看作每秒执行的次数

最后，ALU + CU + 寄存器 + 时钟就组成了我们平时经常看到的一个词汇：

中央处理器（Center Process Unit）简称 CPU。

CPU总结

1. CPU 中的 PC 寄存器，是决定 CPU 要执行哪条指令的关键； 2. 指令是由 动作 + 操作对象组成 3. CPU 眼中只有指令，没有其他的概念

1.2 操作系统（围绕Linux进行讨论）

Windows10

Windows11

linux

mac os

android

ios

这些操作系统，本质上都是用来搞管理的软件

1.2.1操作系统的功能

注意：有的数据库/虚拟机软件支持在裸机上跑...程序内置了一个操作系统，这种另当别论。

1.对下管理所有的硬件设备 操作系统知道市面上硬件设备就那么几个大类，每个大类别下面的硬件设备大概都有哪些功能~硬件厂商需要在开发硬件的时候同时开发一个驱动程序(软件)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这个硬件设备的控制 2.对上要给软件提供稳定的运行环境 进程的隔离性：一个计算机可以同时运行多个程序，这些程序各自独立运行，不会互相干扰，防止如果每个程序出现bug，就直接导致系统重启，其他程序崩溃。

操作系统给应用程序提供一些API ，让应用程序去调用， 实现操作系统一些功能，比如 就可以控制一些硬件设备

1.2.2操作系统内核

是操作系统最核心的功能模块。硬件的驱动程序，都是在系统内核中执行的。内核需要给很多应用程序提供支持，提供API进行调用。此处这些系统api都被JVM封装好了，因此java程序员一般不会直接接触到系统的api~。

java具有跨平台性，不同的系统提供的api是不同的，JVM对这些系统api就封装了（类似于JABC）

内核态

用户态

一个程序在运行过程中，可能是在用户态工作，也可能是在内核态工作。

一个操作系统＝内核+配套的应用程序

进程/任务pocess/task

操作系统内核中涉及很多关键性概念，进程只是其中一个，此处重点就只讨论进程

指正在运行，已经跑起来的程序。windows这个操作系统，一开机就有百八十个进程跑起来，有些是系统自动创建的，有些是手动创建的。每个进程都是系统资源分配的基本单位。

进程在系统中如何进行管理

1.描述 使用类/结构体PCB ，把被管理的一个对象，各个属性表示出来 系统中专门有一个结构体（操作系统内核是使用c/c++写的）描述进程的属性这个结构体统称为“进程控制块”PCB，使用这个PCB描述进程的属性。一个进程就可以使用一个或多个PCB来表示 2.组织 使用双向链表，把这些表示出来的对象串起来（为了后续增删改查） 系统会使用类似于双向链表这样的数据结构来组织多个PCB。创建新的进程就是创建PCB并且把PCB插入到链表中。销毁进程就是把PCB从链表上删除并释放，展示进程链表，相当于遍历链表的每个节点。

如果想更明确认识进程详细特性，还需要讨论一下pcb里面的属性，PCB是一个庞大的结构体，包含很多属性，（操作系统源码里面有，linux这样的系统属于开源的，可以看到源代码）

linux中，pcb叫做task_struct

PCB里面的信息

一.pid进程的身份标识 每个进程都会有一个pid，同一时刻，不同进程之间的pid是不同的 二.内存指针（描述了进程持有的“内存资源”是啥样的~）： 每个进程运行的时候，都会分配一定的内存空间，这个进程，内存空间具体是在哪里，以及分配的内存空间中有哪些部分，每个部分都是干啥的...有这么一组指针来进行区分，最典型的，进程的内存空间，需要有专门的区域存储要执行的指令，以及存储指令依赖的数据~~同时还需要存储一些运行时产生的临时数据。 执行的指令：（C语言程序写的一些代码/函数=>exe包含了一些二进制指令，双击exe系统就会读取可执行文件，将内容加载到内存中。（exe中的数据也是要加载到内存中），cpu才能从内存中取走指令，进一步进行执行指令） （cpu一般不会直接读硬盘，都是从内存里面读取数据。先从硬盘把指令加载到内存中，再让cpu从内存中读取指令） 三.文件描述符表（文件描述符表描述了进程持有的“硬盘资源”是啥样的） （类似于顺序表这样的数据结构，有很多元素） 和文件有关=>硬盘 有关，文件它是存储在硬盘上的，计算机操作硬盘，并不是直接操作硬盘这样的硬件设备，而是把硬盘上面的存储空间，以文件的形式来去进行表示，真正代码里面操作的是文件，实际上硬件上操作的就是硬盘 一个进程也需要涉及到硬盘操作（从硬盘读写数据），就需要按照文件的方式来操作，当前进程关联了哪些文件，都能操作哪些文件，就是通过文件描述符表。去进行表示的。文件描述符表将文件组织，后续的指令就可以在这里针对文件进行操作。

进程持有的cpu资源如何体现？

这个关于进程的调度 什么是并发编程？ 早期的操作系统 是一个“单任务操作系统”同一时刻只有一个进程能运行，运行下一个进程，就会退出上一个...不需要考虑调度。 一个进程要执行，就是需要cpu来执行这上面的指令~早期的电脑还是单核cpu，一个cpu核心，同一时刻，只能执行一个进程的指令。 分时复用，并发执行（针对单核cpu）：使多个进程在不同时间进行，如果进程在cpu上轮转速度足够快。那么看起来就像是一个cpu在同时进行多个进程。实际上同一时刻还是只执行一个进程。 逻辑处理器：16个，相当于有16个核心来处理进程。 实际上现代cpu都是多核心的，如果两个进程同时在两个cpu核心上，微观上也是“同时执行”，这个情况称为“并行”。快速轮转调度的方式，执行多个进程，宏观上是“同时”进行，微观上有先有后，这个情况称为“并发”。 并发和并行，在应用程序这一层，感知不到~都是系统内部完成调度的~ 普通程序员平时也不会具体区分并发还是并行，从编程角度来说，底层是并发还是并行，对代码没啥影响。 因此平时会统一使用“并发”来代指 "并发" 和 "并行" 来。 并发编程包含了并发和并行编程。 多核心cpu时代，并发编程是一个很重要的话题，一个系统中有这么多进程，也就是为了实现并发编程的效果。假设只有一个进程，cpu搞16个核心，也没有什么用。多核心对多任务进行，有着很大的帮助。

PCB中引入了一些属性，用来支持操作系统实现进程调度的效果。 四.进程的状态 1.“就绪状态” 时刻准备好去cpu上执行。 两种情况 ①进程正在cpu上执行 ②虽然进程没在cpu上执行，但是时刻准备着去cpu执行 2.“阻塞状态” 某个进程，某种执行条件不具备，就导致这个进程暂时无法参与cpu的调度执行，比如：进程等待用户的输入... 进程的状态还有许多其他种状态，这些状态不做进一步讨论..以上两个是最重要的两个状态。 五.进程的优先级 操作系统在调度多个进程的时候，并非是一视同仁，有些进程会给更高的优先级，优先调度。 六.进程的上下文（进程的结构） 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到的位置继续往后执行。 （用于存档，读档） cpu中有些寄存器，属于没有特定含义，就只是用来保存运算的中间结果。还有些寄存器，是有些特定含义，特定作用。 1.保存当前执行到哪个指令的寄存器 也叫（程序计数器） 是一个2/4/8字节的整数，这个整数存储的是一个内存地址。程序下一条要执行的指令所在的位置。exe里面就包含了指令和数据 把exe运行起来，操作系统就会把指令和数据加载到内存中（内存地址）CPU就会先从 内存 中取指令，然后再执行指令。初始情况下，程序计数器就指向进程指令的入口（可以当做是main方法） 每次取完一条指令，程序计数器的值都会自动更新，默认情况下，直接指向下一条（顺序执行）但是遇到 跳转类指令（jmp，jcmp，call...），就会被设置成跳转的地址...... 2.维护栈相关的寄存器 通过这一组（一般是两个）维护当前程序的“调用栈” 栈，也是一块内存，这个内存里就保存当前这个程序方法调用过程中，一系列的关系。（也包含局部变量和方法参数..） ebp寄存器始终指向栈底 esp寄存器始终指向栈顶，修改esp的值就可以实现“入栈”/“出栈” 会有push等指令完成上述操作 有了这个 我们才知道一个方法执行完毕之后，回到哪里执行。 3.其他的通用寄存器，往往是用来保存计算的中间结果的，比如程序正在计算一个表达式 10+20+30+40 假设算完10+20后，还没来得及计算后面，进程调度走了，就需要把保存10+20的寄存器的值给备份到上下文中。 10+20的计算结果存储在寄存器中。 一个cpu里的寄存器也没多少（不同cpu不一样） 几十个字节到几百个字节...（数据不多，保存也好保存，恢复也好恢复） 将这些寄存器可以很方便的存储在内存中， 存档：把寄存器的值保存在PCB中，PCB都是在内存中。 读档：等到下次执行，可以再把存在PCB的值恢复到寄存器上。 七.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，有可能会出现极端情况，所有的资源都给某个进程，其他进程一点都没分配到。 为了防止这种情况发生，记账信息会记录当前进程持有cpu的情况（在cpu执行多久了）就可以作为操作系统调度进程的参考依据。

总结（操作系统对进程的管理）：

关于进程，我们知道了进程，指的就是一个跑起来的程序，也就是一个正在执行的任务。它可以完成我们指定的一些实际工作，这样的操作会消耗一定的系统资源，操作系统包含的进程不是一个两个，而是非常多的进程。这时候我们想要操作系统对这些进程进行良好的管理，我们采取PCB：task_struct，来去描述一个进程，再通过双向链表来去组织这些进程，按照这样的一个方式，我们就可以把这些进程进行管理了，此时我们如果想创建新的进程，本质上就是创建新的PCB，再加到链表中，我们想去查看进程链表，就是在遍历这个链表，我们想去销毁这个进程，就是把这个进程的PCB在双向链表中进行删除。

虚拟地址空间：

早期的操作系统，程序员运行时分配的内存就是“物理内存”RAM

这种物理内存相当于宿舍楼，有很多房间，每个房间都有一个编号，这个编号就相当于内存地址。编写代码时，申请可以进行申请内存，写出bug如果内存访问越界了，那么被称为野指针“未定义行为”。若进程A使用了某块物理内存，如果进程B不小心也使用到了进程A的物理内存，将这块物理内存做了修改，那么此时可能会导致进程A崩溃。因此这样设计不合理。

进程的独立性

操作系统引入“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，操作系统对于内存又进行了一层抽象。

此时进程A和进程B存于虚拟内存。虚拟内存和物理内存通过操作系统存在一个映射关系。进程A操作某个内存的数据，就需要把操作的虚拟地址告诉操作系统，操作系统再把虚拟地址翻译成物理地址，再操作物理地址（有一个类似于hash表这样的映射结构，称为 页表）。翻译的过程中操作系统会进行检查和校验。操作系统会看当前这个虚拟地址能否完成翻译。如果给的虚拟地址是非法的，如：越界访问，系统就能及时发现，并且对当前进程进行处理，不会波及到其他进程。（不会真的对物理内存进行修改）。

这个叫做进程的独立性：每一个进程都有自己的一套虚拟内存空间。不会影响到其他进程。

多个进程相互配合： 如果确实需要让多个进程相互配合，此时就不好操作了，我们引入了新的机制来实现进程之间的通信，“借助一个公共空间，完成数据的交互” 进程之间通信方式(有很多种，主要介绍两种) 1.通过文件.(进程A写这个文件，进程B读这个文件) 2.通过网络（socket）.借助网卡 后面详细介绍

1.3 存储器

①内存：速度快，空间小，成本高，掉电后数据丢失

②外存：速度慢，空间大，成本低，掉电后数据不丢失

最近两年，有商家研发出了新的存储介质，同时具备内存和外存的特性

1.4 输入设备：

负责将用户的指令和数据传送到计算机系统

1.5 输出设备：

将计算机处理后的数据和信息呈现给用户的硬件设备

总结

计算机就像个超级快速的处理器，通过执行简单的指令（加、减、复制等），来处理和存储数据。它用电信号来表示和操作二进制数（0和1），通过组合这些操作来实现复杂的任务，比如显示网页、播放视频或运行游戏。输入设备（如键盘和鼠标）提供数据，处理器（CPU）执行程序指令，存储设备保存数据，输出设备（如显示器和打印机）展示结果。