【JavaEE初阶 -- 计算机核心工作机制】

1.冯诺依曼体系

• 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（二进制存储）
• 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
  针对存储空间访问速度：硬盘>内存>>CPU
  针对数据访问速度：CPU>>内存>硬盘

2.CPU是怎么构成的

门电路 => 半加速 => 全加速 => 加法器 => ALU运算器(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)。
CPU以及其他的内存、硬盘等重要的设备都是由 门电路构成的。

3.指令表

• 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

寄存器：是CPU上存储数据的单元。CPU上能直接存的数据比较少，这些寄存器主要是为了支持CPU完成一些计算，保存中间结果的。

4.CPU执行代码的方式

上面一段指令，其实就是内存中的一段数据；写好的代码最终要运行的话都需要让操作系统，先把写好并编译好的指令加载到内存中，然后CPU才能执行。

1. 假如从0号地址开始执行程序：CPU就会从0号地址读取数据，到CPU寄存器里，并且对这个指令进行解析（即查指令表，看指令的具体操作）。
   前4位（0010）是opcode参数（即查指令表）：LOAD A：从内存中读取数据到A寄存器中。后4位（1110）是内存地址，十进制的14。

2. CPU 接着从内存中，读取指令并解析：

0001：LOAD B，1111：就是15号内存地址。

3. CPU接着从3地址读取指令：1000：为add，01为B，00为A，A寄存器的编号是00，B的编号是01，而这些都是指令表里提前约定好的。把**这两个寄存器的内容进行相加，结果保存到第二个操作数（A）的寄存器中
   
4. CPU接着读取3号地址的指令，** 0100：STORE A，1101：13地址;把A寄存器中的值，写入到13这个地址上。**

5.CPU小结：

1. CPU要执行的指令，是在内存中的（冯诺依曼结构的基本设定让执行单元和存储单元进行了 解耦合）
2. ** CPU想要执行指令，必须先读取指令，再解析指令，然后才能执行指令**
3. 取指令需要从内存中读取指令到CPU的寄存器中（上面CPU读取解析和执行指令没有体现出存储指令的寄存器，只体现了AB用来计算数据的寄存器）；因为读取内存操作相对于CPU执行计算，开销大很多，所以读取指令的操作，是非常耗时的，因此，CPU通过缓存，流水线等技术来优化这里的效率。
4. CPU解析指令的时候，需要用到指令表，而不同架构的CPU支持的指令表不同（x86和arm等是不同的）；指令表细节已经写死到CPU中了，CPU是可以很容易识别的
5. 指令在执行过程中，可能会带有一些操作数，不同的指令，操作数的个数含义都有所不同
6. CPU重要的参数，主频：表示的含义就可以近似看成一秒中之内，CPU能够执行的指令个数

6.编程语言和操作系统

• 编程语言：高级语言经过编译、链接 =》汇编语言 经过汇编 =》机器语言。

高级语言的一条语句往往对应多条指令才能完成。

• 操作系统：是一组做计算机资源管理的软件的统称。
• 计算机系统的分层视图：

7. 进程/任务（Process/Task）

• 进程就是操作系统提供的一种“软件资源”，比如我们电脑正在运行的程序，就可以称为是”任务“，也叫进程，而我们现在所用的系统，都属于多任务操作系统，即同一时刻可以运行多个任务。
• 而单任务操作系统，同一时刻只能运行一个程序，比如以前的山寨机，单任务系统就是没有后台运行，要执行另一个程序，就需要先退出前一个程序。
• 每个任务在执行过程中，都需要消耗一定的硬件资源，计算机中的每个进程在运行的时候，都需要给他分配一定的系统资源，进程是系统分配资源的基本单位。

8.进程在系统中是如何管理的

操作系统的进程管理：

1. 先描述，即使用类/结构体这样的方式，把实体属性给列出来，表进程信息的结构体，PCB（进程控制块，Process Control Block），PCB是操作系统中的通用概念，比如Windows上表进程的结构和Linux也都可以称为PCB。
2. 再组织，即使用一定的数据结构，把这些结构体/对象串到一起。在Linux中，使用链表这样的数据结构来把若干个task_struct串起来。

PCB中的一些核心属性：

1. pid，进程的身份标识。此处通过一个简单的不重复的整数来进行区分的，系统会保证，同一个机器上，同一个时刻，每个进程pid都是唯一的。
2. 内存指针，描述了进程使用，内存资源的详细情况。进程运行过程中，需要消耗一些系统资源的，其中内存就是一种重要的资源。而整个系统中，内存这么多，并不是可以随意使用的，只有先从系统这里申请，系统给你分配一块才能使用。每个内存，都必须使用自己申请到的内存。
3. 列如双击一个exe，就会运行进程，这个过程中，就是系统先把exe这个文件的内容（包含了指令和数据，先加载到内存中）然后再创建进程，让进程开始执行。
4. 文件描述符表：描述了这个进程所涉及的硬盘相关的资源。存储器 = 内存+外存（硬盘、软盘、光盘、U盘。。），操作系统，不管什么盘都是按照”文件“的方式来进行操作的。一个进程想要操作文件，需要先打开文件，即让进程在文件描述符表中分配一个表项（构造一个结构体）表示这个文件的相关信息。

注意：进程，是系统分配资源的基本单位。
一个进程，消耗CPU资源：就好比CPU是个大舞台，进程要执行的指令，就是演员；一个CPU可能有一个核心，也可能有多个核心，每个核心都是舞台，演员进行表演登上舞台才能表演，同一时刻，一个舞台，只能有一个演员，让多个演员轮流登台，即引出分时复用。即某电脑的CPU有16个逻辑核心，系统上的进程不止16个，其他进程分不到CPU资源，通过分时复用（并发）。

• 分时复用：当CPU核心只有一个，先执行进程1的代码，执行一会后，让进程1下来，执行进程2的代码，以此类推。
• 并发：多核CPU下，四个不同的进程在各自舞台上执行，同时执行，称为并行执行。每个核心仍要分时复发。当代的计算机执行过程中，往往是并行+并发同时存在。而两个进程是并发执行还是并行执行要看系统的调度。

9. CPU分配 – 进程调度

PCB中就需要提供一些属性来支持系统完成对这些进程的调度。

• 状态：描述进程的是否能够去CPU上执行 。有时候某个进程不方便，比如通过Scanner等待用户输入内容。
  1.就绪状态：随时准备好去CPU上执行。2，阻塞状态：这个进程不方便去CPU上执行，调度不了该进程（如进程等待IO，来自控制台等设备的输入输出），。
• 优先级：多个进程等待系统调度，调度的先后不一样。如电脑运行了游戏和qq，此时游戏的优先级大于qq。
• 记账信息：针对每个进程，占据了多少CPU的时间，进行一个统计，会根据这个统计结果来进一步的调整调度的策略。因此需要在下一轮的调度下进行调整，确保每个进程都不至于出现完全捞不着CPU的情况。
• 上下文：支撑进程调度的重要属性，相当于游戏里面的存档和读档。每个进程在运行过程中，就会有很多的中间结果，在CPU的寄存器中。1.存档：因此，就需要在进程调度出CPU之前，把当前寄存器中的这些信息，给单独保存到一个地方。2.存档：在该进程下次去CPU执行的时候，再把这些寄存器里的信息给恢复回来。
• 所谓的保存上下文就是：把CPU的关键寄存器中的数据，保存到内存中（PCB的上下文属性中）。
• 恢复上下文：把内存中的关键寄存器中的数据，加载到CPU的对应寄存器。

10.内存分配 – 内存管理

每个进程的内存，是彼此独立的，互不干扰的。

• 通常情况下，进程A不能直接访问进程B的内存；为了系统的稳定性，如果某个进程代码出bug出错的，只是影响到自己这个进程，不会影响到其他进程，这种情况也称为进程的独立性。而如果系统上的一个进程崩溃，会影响了其他进程，那将非常恐怖。

11.进程间通信

虽然有进程的独立性，但是有时候也需要，多个进程相互配合，完成某个工作。

• 进程间通信和进程的‘独立性’ 并不冲突，系统提供一些 公共的空间（多个进程可以访问到的），让两个进程借助这个公共空间来交互数据。
• 进程通信的方式：

1. 管道
2. 共享内存
3. 文件
4. 网络
5. 信号量
6. 信号
   其中，在Java中主要使用的进程通信方式：文件和网络。网络，是可以支持同一个主机的不同进程，也能支持不同主机的不同进程适用性更高。