【JavaEE】计算机是怎样工作的，五分钟带你理解计算机！！！

作者：学Java的冬瓜
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专栏：JavaEE
分享：一、让你知道我的存在；二、让你存在下去，对我来说都是危险的，都违反第一条公理。
——《三体》
主要内容：对冯诺依曼体系结构的认识，CPU的组成，操作系统的功能，进程的调度，管理内存等

一、冯诺依曼体系

1、冯诺依曼体系结构

CPU 中央处理器：进行算数运算和逻辑运算
存储器：分为内存和外存，用于存储数据(使用二进制的方式)
输入设备： 如键盘，鼠标，麦克风，摄像头
输出设备： 如显示器，音箱等
注意：有的设备既可以输入，又可以输出，比如触摸屏、网卡(既可以上传也可以下载)

2、详解

1> 主频：CPU最重要的指标
如我的电脑主频为2.1Ghz，描述了CPU的运算速度。本质上是2.1G个时钟周期，可以近似的看成每秒能执行2.1G条指令，即21亿条指令（因为对于一条指令，大部分都能在一个时钟周期内完成）。

2> 显卡(GPU)，显卡和CUP类似，区别在于：
CPU是通用计算机芯片，GPU是专用计算机芯片 通俗来讲，CPU属于六边形战士各方面功能都强，而GPU专用于某一个方面。

3> 存储器详解： 存储器又包括内存和外存，内存又包括随机存取存储器RAM（集成到CPU里，用于和CPU交换高速缓存数据） 和只读存储器ROM。外存如硬盘，U盘等等。
4> 寄存器：CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域。

3、《三体》人体计算机分析

分析：在《三体》中，用三个人实现最基本的与门、或门、与非门、或非门、异或门等，用两个人实现非门，然后组合实现半加器、全加器，加法器等等。最终用三千万人组成CPU、存储器、输入和输出的计算机结构的人列计算机。(以后学深后专门出一篇博客来研究介绍)

二、CPU的构造

ALU+CU+寄存器+时钟 组成CPU

1、ALU

ALU是计算机进行算数、逻辑运算的核心部件，是计算机的数学大脑，下面就来制造一个ALU加法器。

1> 从逻辑门到加法器：

2> 图示：
异或：

半加器：

全加器：

加法器：

2、CU/寄存器/时钟

1> CU为 Cintrol Unit(控制单元)缩写： 作为CPU的一部分，基本功能是从内存存取指令，分析指令和执行指令。

我们现在有 ALU、存储（RAM和寄存器）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)。

2> 时钟

就是一的2中提到的CPU主频，为时钟震荡每秒的次数，可以近似看作每秒执行的指令数。

三、操作系统

1、什么是操作系统

1> 首先，什么是操作系统，它的作用是什么？

操作系统：搞管理的系统软件

• 对下，管理硬件设备
• 对上，给软件提供稳定的运行环境

操作系统是软件 硬件 用户之间交互的媒介

2> 知道了操作系统是什么，功能是啥，那么有哪些操作系统呢?

Windows
Linux(特别适合开发和部署)
Mac(苹果电脑的系统，和Linux很相似)
Android(安卓，本质上也是Linux)
IOS(苹果)

2、操作系统的定位

3、什么是进程/任务？

1> 什么是进程？

进程是操作系统对正在运行的程序的一种抽象，也就是说，跑起来的程序叫进程，没跑起来的还是程序。可以把进程看作程序一次运行过程。
在操作系统内部，进程是操作系统进行资源分配的基本单位。
电脑卡不卡，和你的硬盘上的东西无关，取决于你开的进程多不多。

2> 什么是句柄？

系统中有很多的软件资源，进程就是其中一种，写代码时就需要用到一些软件资源。
软件资源是在操作系统内核里，在引用程序的代码中，不方便直接操作资源。
句柄(handler)，可以想象成C语言里的指针，可以拿来标识资源。有了句柄，系统调用就可以借助句柄操作，操作系统内核的软件资源了

4、进程，PCB，CPU分配-进程调度

进程是一个特别重要的资源，由操作系统内核负责管理。

1> 怎么描述和组织进程？

2> PCB包括进程的哪些属性？

3> 想要深刻了解进程调度，要知道什么是并行？什么是并发？

5、内存管理

1> 理解

虚拟内存：

• 在程序中获取到的内存地址，并不是真实的物理地址，而是通过转化而来的虚拟内存地址 在C语言中学到的地址就是虚拟地址。

真正的内存：

• 在真正的内存中，每个空间占1Byte。 每个空间都有一个编号，编号从0开始，这个编号就是内存的物理地址

内存有个特别重要的特性：
支持随机访问，即访问内存上任意地址的数据，耗费时间基本相等。

2> 画图分析

进程直接访问内存的缺陷：
进程之间可能会因为内存越界访问，出现互相影响的情况。

改进进程互相影响问题：
通过引入虚拟地址的方式，从源头解决(内存冲突)进程互相影响的问题

6、进程间通信

在上面中，使用MMU硬件设备解决了进程间相互影响的问题，做到了进程与进程间的隔离。但有时候，我们需要进程之间进行交互，所以就在隔离的基础上留了个后门，就是进程间通信。
进程间通信方式有很多，但核心思路是一致的。

进程间通信的核心思路：

• 设计一个多个进程都可以访问到的通信方式/公共空间，在这个公共空间内进行进程之间的数据交互。
• 之后主要学到两种：基于文件，基于网络