JavaEE：计算机是如何工作的

JavaEE学什么？

主要学习Java开发网站后端，为后面学习Spring做铺垫

涉及的内容：

1）操作系统基础知识

2）多线程知识

3）文件操作

4）网络编程

5）网络原理

6）JVM

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计算机

计算机 = 软件 + 硬件

CPU是计算机最核心的部分

存储器（内存+外存）：内存存储空间小，访问速度快，成本更高，断电后数据丢失

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 外存存储空间大，访问速度快，成本低，断电后数据依旧存在

输入设备：让人给计算机发号施令（键盘，鼠标，麦克风。。。）

输出设备：计算机给人反馈结果（显示器，音箱。。。）

两者兼具（触摸屏，网卡。。。。）

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CPU

CPU是很小的一块硅晶片电路，要提升算力就需要提升集成程度

常见CPU厂商：Intel, AMD, 高通，华为，摩尔线程。。。

Intel和AMD都是同一个架构（x86）

设计CPU有很多种不同的方案就称为架构，不同架构中都会有不同的指令集，会对上层应用程序产生直接的影响

指令集：所谓编程就是采用编程语言描述出一些逻辑，这些逻辑最终被转换成CPU能识别的指令最终执行。这些指令的集合就是机器语言，一些二进制数据

苹果，高通等搞的是另一套架构（ARM），ARM适合低功耗的机器

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这个问题得看情况

如果CPU是16位的，得到的结果就是2（2个字节，16个比特位）

如果CPU是32位的，得到的就是4

如果CPU是64位的，得到的就是8

CPU的位数和代码中内存地址用几个字节表示是密切相关的

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CPU构成

门电路=>半加器=>全加器=>加法器=>ALU运算器=>CPU

具体内容可以看看我专业课的笔记

计算机体系结构复习：电路-CSDN博客

CPU的基本单位足够小，小到纳米级别，单位越小，集成程度越高，对应的算力就越强

问题：

CPU能无限小吗？因为晶体管间距有限制，无法无限小

那可以把CPU搞大点吗？不能，加工时的良品率会降低

可以搞多一些数量吗？可以，多核CPU

每个核心都相当于一个完整的CPU，把这些CPU核心集成在一起。

本来一个任务一个人干，两个人一起干就更快了

更快的前提需要软件的配合，需要软件把大任务拆分成多个小任务，合理的分配给多个劳动力（软件的并发编程）

能不能让CPU核心当成两个来用？超线程技术。

像我的电脑，写代码的时候可以当成20个人干活来使用

CPU的睿频技术：我们CPU的动态频率发生变化，取决于当前任务多不多

衡量一个CPU的单核性能，既要看基础频率（下限），又要看最大睿频（上限）

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CPU如何执行指令的

寄存器是CPU上的存储单元，支持CPU完成一些计算，保存中间结果

访问速度比内存快3-4个数量级

4位RAM地址：极简版本的4位汇编

这段指令是内存中的一段数据

假定从0号地址开始执行程序，CPU就会先从0号地址读取数据到CPU寄存器里，查询指令表对这个指令进行解析

接着把14号地址的数据读取到A寄存器里

接着CPU默认往下顺序执行内存中的指令

接着执行地址2的指令

继续取指令并解析

上面的过程是CPU如何进行3+14的过程

我们可以得出几个结论

1.CPU要执行的指令是在内存中的

冯诺依曼体系结构的基本设定，把执行和存储分开，解耦合，降低硬件设计的成本

2.CPU要想执行指令，就要先取指令，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。取指令的操作很耗时，开销较大，从内存读取数据这件事跟不上越来越快的CPU了，于是设计出缓存

缓存用于存储数据的硬件或软件的组成部分，以使得后续更快访问相应的数据

4.CPU解析指令的时候需要用到指令表，不同架构的CPU支持的指令表不同

5.指令在执行过程中可能带有一些操作数，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，表示一秒钟之内CPU能够执行的指令个数

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操作系统

操作系统是一个软件，由代码构成程序

操作系统主要职责：管理各种硬件设备；给其他软件提供稳定的允许环境

假设需要写一个程序相应鼠标的各种操作，但是鼠标品种繁多，无法每个鼠标都写一个程序

此时就需要操作系统来统一管理不同的硬件设备，给软件提供统一的api

此时程序员写代码就不必关注硬件的细节差别了，只需要面向操作系统就行，调用操作系统的api控制不同的硬件，这也叫做封装

常见的操作系统：Windows, Linux, Mac, IOS, Android

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进程

操作系统提供的一种软件资源

现在我们用的系统都属于多任务操作系统，同一个时刻可以运行多个任务

这里每一个程序就是一个任务，也叫进程

每个任务/进程在执行过程中都需要消耗一定的硬件资源，进程是系统分配资源的基本单位

单任务系统，比如switch，早期的诺基亚等；没有后台运行，要想执行另一个程序就需要先退出前一个程序

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进程在系统中是如何管理的？

1.先描述，使用类/结构体这样的方式，把实体属性给列出来

表示进程信息的结构体，叫做PCB（进程控制块，Process Control Block）

Windows表示进程的结构可以称为PCB，Linux也可以称为PCB

在Linux上，PCB是叫做task_struct的结构体

2.再组织，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给串起来；如果运行一个新的程序，系统会多一个进程，多的这个进程就要构造出一个新的PCB，并添加到链表上

PCB的一些核心属性

（1）PID：进程的身份标识，通过一个简单不重复的整数来进行区分

系统汇报真同一个机器上，同一时刻每个进程PID都是唯一的

选中某个进程，点击结束任务就是任务管理器获取你选中的进程的PID，然后调用系统api，把PID作为参数穿插进去，从而完成杀死进程的操作

（2）内存指针

进程运行过程中，整个系统的内存都是可以随意使用的吗？

当然不是。要先从系统申请，系统分配一块才能使用

内存指针就是用来描述这个进程使用内存的详细情况

比如在电脑双击一个exe文件，系统会把文件里的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，这样就开始运行进程

（3）文件描述符表

我们的进程经常要访问硬盘，而操作系统把硬盘这样的硬件设备封装成了文件

一个进程要想操作文件，需要先打开文件，就是让进程再文件描述符表中分配一个表项（构造一个结构体）来表示这个文件的相关信息

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一个单核CPU怎么支持一个多任务操作系统运行？

分时复用（并发）

先执行进程1的代码，执行一会后让进程1下来，让进程2上；进程2执行一段时间后上进程3

切换的速度极快，人是无法感知切换的过程，所以人眼认为是多个进程同时进行的

多核CPU的进程运行不是靠快速切换，而是并行+并发执行的。

此处CPU的百分数就是进程在CPU消耗的时间的百分比，如果一个进程把CPU吃到100%，意味着其他进程没有执行时间了，这个进程就把CPU霸占了，可能造成CPU卡顿

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PCB如何支持进程的调度？

（1）状态

描述某个进程是否能够去CPU上执行

就绪状态：随时准备好去CPU上执行

阻塞状态：这个进程当前不方便去CPU上执行，不应该调度它（比如进程在等待IO）

直观理解就是代码不能继续往下走了

（2）优先级

字面理解就是先调度谁，后调度谁的问题

（3）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，并根据这个统计结果进行进一步的调整调度的策略

（4）上下文

这个是支撑进程调度的重要属性，相当于游戏中的存档和读档

操作系统调度进程的过程可以认为是随机的，任何一个进程，代码执行到任何一个指令的时候都可能被调度出CPU，在进程下次调度回CPU的时候，继续之前的进程执行

所以就需要在进程调度出CPU之前把当前寄存器中的信息保存到内存中，这个就是存档

该进程下次再去CPU上执行的时候再把这些寄存器的信息恢复过来（加载到CPU对应寄存器中），这个过程就是读档

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内存分配

每个进程的内存是彼此独立，互不干扰的

（原因：为了系统稳定性，如果某个进程代码出bug，出错影响范围只是影响到自己这个进程，不会影响其他进程，这个叫做进程独立性）

进程间通信

虽然有进程独立性，但是有时候也需要多个进程相互配合完成某个工作

系统提供一些公共的空间（多个进程都能访问到），让两个进程借助这种公共空间来交互数据

操作系统提供的进程间通信的方式

文件和网络是Java程序员主要使用的进程间通信方式

网络：可以支持同一个主机或不同主机的不同进程