计算机工作原理（程序猿必备的计算机常识）

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

一、计算机工作原理

1.冯诺依曼体系

CPU： 中央处理器，进行算术运算和逻辑判断，一个计算机中最核心的部分

衡量CPU的重要指标(当然远远不止这两个啦)：

1. 核心数：可以简单理解为一个核就是一个人干活，多核就是多个人干活
2. 频率：CPU的运算速度，可以简单理解为一秒钟执行的指令个数

这两个值越高说明CPU越好

存储器：

• 内存（咱们平时说的内存、运行内存）：存储空间小，访问速度快，成本高，掉电后数据丢失
• 外存（硬盘，软盘，光盘，U盘）：存储空间大，访问速度慢，成本低，掉电后数据保留

输入设备： 用户给计算机发号施令的设备，如鼠标、键盘等

输出设备： 计算机给用户汇报结果的设备，如显示屏等

存储空间大小：硬盘>内存>CPU

数据访问速度：CPU>>内存>硬盘

2. CPU执行指令的过程

指令相当于你告诉计算机做什么，指令表简化版本

指令一共有8个bit位，前4位opcode表示操作码，后4位表示操作数也就是要操作的地址或者寄存器。

关于CPU的寄存器：

我们的计算机存储数据主要是依靠内存和硬盘，而CPU在进行运算的时候，首先会把数据从内存中读取到CPU中的寄存器当中，寄存器就是CPU内部存储数据的部分，寄存器的存储空间比内存小，访问速度比内存快，成本高，断电后数据会丢失。

CPU执行指令的过程：

1. 读取指令：CPU从内存中读取到指定内容，将指令保存到专门的寄存器中
2. 解析指令：对照指令表，解析指令要执行的操作和对应的操作数
3. 执行指令：执行指令对应的操作

2）解析指令：操作码为0010，操作数为1110，对照指令表为LOAD_A，也就是将1110（10进制为14）这个地址的数据，读取到寄存器A当中

执行完毕，程序计数器+1，程序计数器的值变为1，

继续执行地址为1的指令

1）读取指令：读取地址为1的指令

2）解析指令：操作码0001， 操作数1111（二进制为15），对照指令表为LOAD_B，也就是将地址为1111的内存中的数据加载到寄存器B中

程序计数器+1，变成2

执行地址为2的指令：

1）读取指令：读取地址为2的指令

2）解析指令：操作码1000， 操作数0100（二进制为15），对照指令表为ADD，此时操作数分成两部分，表示两个寄存器00表示寄存器A，01表示寄存器B

计数器+1->3

执行地址为3的指令：

1）读取指令：读取地址为3的指令

2）解析指令：操作码0100， 操作数1101（二进制为15），对照指令表为SOTRE_A

3）执行指令：将寄存器A的数据（00010001）写入到地址1101中

计数器+1->4

地址为4的数据为全0,程序结束

二、操作系统

操作系统 = 内核+配套的应用程序

常见的操作系统：Windows、Linux、MacOS、Android、IOS

内核的功能就是：

1、管理硬件设备：硬件厂商会提供相应的驱动程序，操作系统通过驱动程序间接操作硬件设备

2、给软件提供稳定的运行环境，现在的操作系统上一般会同时运行很多程序，操作系统会确保当某个程序出问题了，不会影响别的程序执行（例如，你在写代码正在听网易云音乐，当你的代码出bug了，你的网易云音乐不会停止）

操作系统会给应用程序提供API（接口），让应用程序调用，完成不同的功能

三、进程的概念

进程process（也叫任务task），就是正在执行的应用程序

应用程序有两种状态：

1、未运行：此时是一个躺在硬盘上的exe文件

2、运行中：exe文件会被加载到内存中，并且cpu执行了里面的指令

进程是操作系统进行资源分配的基本单位。

四、进程的管理

简单版本理解：

两个方面：

1、描述：通过C语言的结构体或者C++、Java语言中的类，把一个进程的各种属性描述出来

2、组织：通过某些数据结构（比如链表），把上面的结构体一个一个串起来，并进一步的进行各种增删查改

创建一个进程，就相当于创建了一个结构体，并且插入到链表中；销毁（结束）进程也就是把该进程从链表上删除；查看进程，就是在遍历链表

结构体中包含的关键内容

1. PID 进程的标识符：同一时刻，一台机器上一个PID就表示了一个进程，一台机器上PID不会重复，操作系统可以通过PID找到对应的进程
2. 一组内存指针：通过这些指针，可以知道进程的指令和数据在哪里（操作系统运行一个可执行程序时，会把exe文件中的指令和数据加载到内存中，这些指针保存着这些地址）
3. 文件描述符表（顺序表/数组）：描述了进程打开了硬盘中的哪些文件
4. 进程状态
5. 进程优先级
6. 进程上下文
7. 进程的记账信息

以上4、5、6、7共同决定了进程的调度，我们单独下文介绍

五、进程的调度

计算机同时存在多个要执行的进程，CPU的每个核心可以执行一个进程（也就是执行里面的指令），但是一台机器CPU拥有的核心数量有限，但是却要执行几乎上百个进程，怎么办？

进程调度解决了以上问题：分时复用

某个时刻CPU运行进程1（其他进程先等着），运行一段时间后，CPU去运行进程2，过一会又运行进程3，以此类推，因为CPU运算速度快，上述切换的速度也快，我们看着就像是多个进程在同时执行，这也叫并发执行

多核心的CPU每个核心之间微观上也能同时执行不同的进程，叫并行执行

现在一般把并发和并行统称为并发，并发编程

下面这些属性，就是用于支持并发执行这个调度过程

1. 进程状态，包括以下5个

   新建状态：当一个进程被创建，但是未分配内存资源，此时这个进程就处于新建状态；

   就绪状态：可以随时被调度到CPU上执行指令的；

   运行状态：CPU正在执行某个进程的指令，这个进程就处于运行状态；

   阻塞状态：无法被调度到CPU上进行执行（因为要进行其他操作，例如写代码时使用Scanner等待用户输入，如果不去输入，程序会一直卡在这）；

   终止状态：表示该进程完成了它的执行，与此同时该进程占用的系统资源也被回收

2. 进程优先级：进程调度时，有的进程先执行，有的进程后执行，这就是优先级
3. 进程上下文：分时复用，一个进程执行一段时间，就要从CPU上调度走，过一段时间又回来，此时需要沿着上次执行的结果继续执行，这个进程离开时，之前执行的中间结果会被相应的寄存器保存起来，用于下次使用，寄存器中保存起来的就叫进程的上下文。可以理解为：打游戏的存档~~当你游戏玩累了，不想玩了，此时可以存档，等下次你再想玩的时候直接读档即可
4. 进程的记账信息：在有优先级的前提下，不同的进程利用的系统资源是不一样的，操作系统会统计每个进程在CPU上执行的时间、内存使用情况等，根据这个记账信息，操作系统会进一步调整调度策略，做出优化，确保资源足够让每个进程正常执行