计算机是如何工作的

bc37d2a24b4441aaa9e0157f242feafc.png

1.冯诺依曼体系

现在我们所使用的计算机大多都遵守冯诺依曼体系结构

d8fad39f99e244eea514f6565529778e.png

冯诺依曼体系也称为存储程序计算机，是现代计算机体系结构的基础。 核心思想：

• 二进制：数字计算机的数值采用二进制，即0和1作为数值表示的基础，这种表示方法简化了计算机的电路设计，提高了计算效率
• 程序顺序执行：计算机应该按照程序顺序执行，即预先编好程序，然后交给计算机按照程序中预先定义好的顺序进行数值计算。

功能：

• 输入：把需要的程序和数据送至计算机中。
• 存储：具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。
• 处理：能够完成各种算术运算、逻辑运算和数据传送等数据加工处理。
• 控制：能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。
• 输出：按照要求将处理结果输出给用户

组成：

• 运算器：用于完成各种算术运算、逻辑运算和数据传送等数据加工处理。
• 控制器：用于控制程序的执行，是计算机的大脑。它与运算器一起组成计算机的中央处理器（CPU）。
• 存储器：用于记忆程序和数据，程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址确定。 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：如鼠标、键盘等，用于将数据或程序输入到计算机中。
• 输出设备：如显示器、打印机等，用于将数据或程序的处理结果展示给用户。

（1）存储器

573afc9dd3dc4ad7a838dba028559755.png

定义和功能：存储器是计算机系统中的记忆设备，用于存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果，都保存在存储器中。存储器会根据控制器指定的位置存入和取出信息。 存储器的分类：

• 内存（与CPU直接交换信息）
• 外存（用于储存不是实时成像任务中获取的图像，如硬盘、光盘、U盘等。）

内存:存储空间小，访问速度快,成本高,掉电后数据丢失 硬盘:存储空间大,访问速度慢,成本低,掉电后数据仍在.

（2）认识CPU

9a6f560ea62649e6b5e6d0c40948c6db.png

定义与功能：CPU，即中央处理器，是计算机系统的核心部件，负责执行计算机的基本算术、逻辑、控制和输入/输出(I/O)操作指令。它是计算机的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。 CPU的制作工艺非常精密，现今较为出名的公司： （1）英特尔 （2）AMD （3）高通（手机） CPU的核心参数： 两个重要指标是核心数和频率

1. 核心数：指CPU内部集成的物理核心数量。多核心CPU可以同时处理多个任务，提高整体性能。 线程数：线程数是CPU能够同时处理的线程数量。一些先进的CPU技术（如Intel的超线程技术）允许每个物理核心处理两个或更多的线程，这被称为逻辑核心或线程。因此，线程数可能大于或等于核心数。 我们可以打开任务管理器在性能里查看自己电脑的核心数，此时我的电脑是16核（有几个方框就有几个核心数） 也就是8核16线程（一个核心可以执行多个线程）

9e120d0fbb314b35aa3025918f81e45a.png

单核处理器与线程：一个核心只能处理一个线程 超线程技术：一个核心能处理多个线程

1. 主频：主频是CPU的时钟频率，表示CPU在单位时间内（秒）发出的脉冲数。它决定了CPU的运算速度，主频越高，CPU的运算速度就越快。主频通常以GHz（吉赫兹）为单位。 基准速度：可以认为是下限速度 实时频率/睿频（对应图中的速度，它是动态变化的）：随着频率提升,消耗的电量更高,发热更多~~ CPU的频率往往是动态变化的，会根据任务量动态调整 计算机都有"功耗墙"，cpu温度达到一定阈值(105摄氏度)，自动降频 散热工作做好，可以让频率达到更高的水准 => 超频

e677b2b9bd54421d8ff03e6fb8f91a7c.png

1. 指令: (C / Java语言,编程语言写的程序,最终都要被翻译成"cpu上执行的二进制指令" 指令（机器语言（用二进制表示）或叫做汇编语言）就是cpu干活,完成任务的基本单位.
2. 寄存器：寄存器就是cpu内部存储数据的部分，位于CPU内部，具有非常高的存取速度。它被用来暂时存储数据、指令地址和状态信息，以便CPU在执行指令时能够快速访问这些数据。 存储数据,主要是靠内存和硬盘，实际上, cpu在运算的时候,需要先把数据从内存读到cpu里，才能进行运算. 存储空间往往为几kb，比内存更小，速度比内存更快，成本也比内存更高，断电后会丢失 因此 cpu在计算的时候就需要反复的从内存加载数据，效率比较有影响 而现代CPU引入了缓存来解决这一问题 某个内存的数据,经常使用,寄存器又存不下就可以放到缓存中. 数据使用的频率越高,就往L1上放,没那么高放L3，中间的就放L2

016107e95bbd4ec4880ec30bc4c8b18e.png

（3）CPU执行指令的过程

一个CPU能执行哪些指令，可以认为是cpu最初设计的时候,就已经写死了.(确定好了)存在一个"表格"描述了都有哪些指令.

fa044d3056af4a74b71e529cc5418fc3.png

说明： 此处假设每个指令只有8 bit（实际要更长） 8 bit的指令，分成两个部分 前4 bit是操作码(opcode)表示指令是干啥的，后4 bit是操作数(类似于参数)

• RAM表示内存，全称是随机访问存储器
• AB寄存器名字是虚构的，实际上每个寄存器都有真实的名字，如：AX,BX,CX,DX
• 两位表示寄存器ID,这里我们约定A寄存器是00，B寄存器是01

7a4db332e666492eaf1af233625f0cc0.png

像我们写好的C语言和Java这样的程序是先编译成可执行文件（.exe，包含了这个程序运行时要执行的指令和依赖的数据），在我们点击运行的时候，操作系统就会把exe加载到内存中 在CPU中存在一个特殊的寄存器“程序计数器”，用来保存接下来要从哪个内存位置来执行指令，在exe加载到内存后就能被系统自动设置好，也就是说程序计数器此时会默认置为0，从0号地址开始执行，同时随着指令的执行，这里的值,也会随着更新.默认情况下，就是＋1自增过程.(顺序执行)如果遇到"跳转类语句" (if, while, for，函数调用.....)会被设为其他的值 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取到的指令，不是上面说的a b寄存器）
2. 分析指令（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

初始情况下，我们从0地址开始读取数据，我们以0010 1110为例来执行这条指令

1. 取指令：取到0010 1110这条指令
2. 分析指令：前四位0010表示操作码，表示用来干什么，我们通过查指令表发现0010是LOAD_A操作，用于将数据加载到A寄存器，也就是把1110（十进制为14）地址的数据读取到A寄存器中
3. 执行指令：把14的内存地址对应的数据0000 0011存储到寄存器A中

第一条指令执行完毕,系统会自动把程序计数器中的值＋＋从0 ->1 程序计数器++，执行地址为1的地址，对应表中数据为 0001 1111

1. 取指令：取到0001 1111这条指令
2. 分析指令：0001对应LOAD_B操作，也就是将1111（十进制为15）这条地址对应的数据加载到B寄存器中
3. 执行指令：把15的内存对应的数据0000 1110存储到寄存器B中

程序计数器++，执行地址为2的地址，对应表中数据为1000 0100

1. 取指令：取到1000 0100这条指令
2. 分析指令：1000对应ADD操作，也就是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，01为B寄存器，00为A寄存器，所以就是将B寄存器中的数值与A寄存器中的数值相加存放到A寄存器中
3. 执行指令：A寄存器中数据为3 + B寄存器中的数据14 = 17（0001 0001）存放在A寄存器中

程序计数器++，执行地址为3的地址，对应表中数据为0100 1101

1. 取指令：取到0100 1101这条指令
2. 分析指令：0100对应STORE_A操作，将数据从A寄存器写入RAM的指定地址，将A寄存器中的0001 0001（17）存储到1101（13）地址中
3. 执行指令：13号内存中的数据变为0001 0001

程序计数器++，执行地址为4的地址，对应表中数据为0000 0000，表示程序执行结束 上述代码,完成了3+14的过程.为了进行相加运算,对于CPU来说,不是一件那么容易的事情.

对于Java程序员来说,一个比较典型的指令级开发的场景，给程序打热补丁 比如，做一个服务器开发,这个服务器非常重要,不能重启~~(最多是在某些特定时间才能重房启……发现服务器存在严重bug 但是又不能修复bug重启程序~~此时就可以考虑"打热补丁" 写的程序的指令，也是在内存中的,对应的有bug的代码,也是其中的一段指令 找到有bug 的代码指令，直接修改这里的指令，修改成没有bug的版本，或者在这个指令前加上跳转指令，让有bug逻辑不去执行,而是去执行新增的一个正确的指令…....

2.操作系统

（1）详解内核

内核到底是什么？ 我们使用文档计算缩写文章的字数，我们无法打开“硬件”去找到这个文件然后告诉CPU去统计字数，人是无法直接去面对和交互的。而计算机处理的所有工作，都是通过调用这些硬件设备来完成的 而对于操作系统来说，最重要的就是管理和调度计算机内部的资源，而具体到操作系统内部的分工则是由内核真正完成和执行的，除了内核以外，操作系统不需要关注如何计算，如何存储等操作，所有部件只需要告诉内核诉求，内核去调用对应的接口，即可完成硬件资源的调度和使用，内核抽象了计算机内部硬件资源，并统一管理对外提供支持，所以内核 = 计算机硬件。 具体到内核内部的组成部分和抽象结构，内核的核心功能和硬件有如下对应和抽象关系： 进程管理 —— CPU 内存管理 —— 内存 虚拟文件系统 —— 硬盘/磁盘 网络接口 —— 网卡 内核是如何管理和调度的？ 内核的绝大部分代码是驱动，各个不同设备不同硬件的驱动。驱动是内核和硬件设备之间的桥梁，内核也正是通过驱动来管理和调度硬件设备。

常见的操作系统： （1）Windows （2）Linux （3）Mac os （4）Android （5）IOS 每个系统之间运行的程序都是不同的，也就是系统之间是不兼容的 windows 写了一个程序,这个程序是不能直接拿到Linux等其他系统上运行的（系统内部的API存在差异） 但是对于Java来说是具有跨平台性的，比如在Windows和Linux有着不同的JVM，但是这些JVM是兼容同样的字节码

操作系统的核心概念： 一个操作系统需要做的最重要事情就是管理

1. 管理不同的硬件设备（计算机能接入很多的设备.扫码枪,医疗设备,B超超声机...）
2. 给软件提供稳定的运行环境（在同时运行很多程序时要做到程序之间不相干扰）

以上两点也被称为“操作系统内核”，是核心功能的集合。一个完整的操作系统就是内核+配套的应用程序 操作系统的定位：

e41db2f1a09842f2ae99e7906beae253.png

操作系统会管理各种的硬件设备处理器，主存，I/O设备等 操作系统给应用程序提供API，让应用程序调用来完成不同的操作 例如 println 是Java标准库提供的函数, JVM中,为了实现 println,就会调用操作系统提供的API,执行(Linux,对应的系统api叫做 write) 调用系统api，程序就会进入到系统内核执行,此时系统就会操作对应的硬件设备来完成打印操作. 操作系统管理的硬件设备有很多 不是系统直接操作硬件,而是硬件厂商会提供对应的“驱动程序"操作系统其实是通过驱动程序,间接的操作硬件设备的 例如，罗技鼠标多个按键功能的设置，操作系统控制驱动程序简介操作硬件设备进而操作应用程序

操作系统中内核的重要功能： 进程管理 所谓进程（进程process/任务task）就是正在运行的应用程序 应用程序的两种状态：

1. 没有运行时是一个exe文件，呆在硬盘里，即可执行文件
2. 运行的时候, exe就会被加载到内存中,并且cpu执行里面的指令了.即进程

进程都是通过操作系统来执行的，执行进程里的指令需要硬件资源

12cb4c2c33334e1a9934aec8d6304a13.png

进程是操作系统分配资源的基本单位 由于系统上的进程较多所以需要进行管理，那进程如何进行管理呢？

1. 描述 ：通过结构体或类，把进程的各种属性表示出来（对于Linux操作系统来说,使用称为"PCB"（进程控制块）这样的结构体来描述进程信息的.）
2. 组织 ：通过数据结构,把多个上面的结构体，穿起来,并进一步的进行各种增删改查（简单认为,通过链表的方式,把上述多个PCB串到一起，但实际更复杂） 创建新的进程就相当于创建了一个PCB结构体并插入到链表中 销毁进程就相当于，删除某个PCB对应的链表节点并释放资源 查看进程列表,就是在遍历这个链表,依次显示出对应的信息～~

（2）详解进程

详解PCB（进程控制块） PCB是一个非常复杂的结构体，里面包含着非常多的属性，重要的有以下几个

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唯一的,不会重复.系统内部的很多操作,都是通过PID找到对应的进程的.

ba9bc09cb74a45ea91b8e9bea087c680.png

1. 内存指针 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.(内存地址），有了内存地址就知道进程对应的指令和数据在系统的哪个位置 侧面表示出,进程的执行,需要一定的内存资源的
2. 文件描述符表(顺序表/数组) 用来描述打开了哪些文件，对应到硬盘上的数据，进程中,打开了某个文件,就会在顺序表中添加一项~ 侧面表示出,进程的执行,需要一定的硬盘资源的
3. 进程的状态，优先级，上下文，优先级统称为进程的调度 计算机上同时存在百八十个进程，这些进程是需要同时进行的，如何执行呢? CPU负责执行,CPU每个核心,可以执行一个进程.(执行进程里的指令，执行的过程就是取指令，分析指令，执行指令)，上文中说道我的电脑是8个物理核心16个逻辑核心，一个核心就可以执行一个进程，那也就是说我的电脑可以同时执行16个进程，那其他线程怎么办呢？ 操作系统,进程调度的关键,"分时复用" 现如今的操作系统，都是“多任务系统”，同时可以运行多个进程 分时复用简单来说就是同一时刻由于切换速度很快相当于cpu同时运行多个进程 站在宏观角度(人)，同时执行，"并发执行" （并发简单说就是宏观上看起来是同时，但微观上是一个接一个的执行，只不过执行速度很快，感觉不到而已） 现在又有了多核心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， 微观上并行执行，叫做“并行执行” 并发执行就是多任务在同一时间执行，强调同一时间 并行执行即使多任务在多核心上执行，强调多核心 并发/并行,都是操作系统内核统─调度的,程序员/普通用户，感知不到 因此,平时也把并行和并发，统称为"并发"对应的编程的手法,也就称为"并发编程" 进程的状态，优先级，上下文，优先级就是用来支持并发执行调度过程的

• 进程状态 就绪状态的进程,是可以随时被调度到CPU上执行指令的～~ 阻塞状态的进程，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,比如进行IO操作(读写硬盘/读写网卡.…) 我们之前学过的scanf，Scanner输入就是典型的阻塞状态，他会从控制台读取输入，等待I/O产生的阻塞，代码执行到这样的语句时代码就"卡住"，当你输入数据后才会继续执行
• 进程的优先级 也就是cpu获取资源的先后顺序问题
• 进程的上下文 分时复用,一个进程执行一会之后,就要从cpu上调度走 过一段时间,还会调度回cpu,就要沿着上次执行的结果（把之前执行的中间结果(各种cpu寄存器中的值)保存起来,以备下次使用）,继续往后执行
• 进程的记账信息 优先级的加持之下使不同的进程,吃到的资源,差异越来越大了 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