【JavaEE精炼宝库】计算机是如何工作的

前言：

一、冯诺依曼体系

二、CPU基本知识

2.1 硬盘|内存|CPU关系：

2.2 指令：

2.3 CPU是如何执行指令的（重点）：

2.4 小结：

三、编程语言

3.1 程序：

3.2 编程语言发展（了解）：

四、操作系统

五、进程

5.1 进程的概念：

5.2 进程控制块抽象(Process Control Block)：

5.2.1 PCB的核心属性：

5.2.2 操作系统管理进程：

5.3 并行与并发的区别：

六、总结

前言：

今天我们终于来到了JavaEE的舞台，在这之前我们学习了JavaSE，数据结构和数据库。接下来的JavaEE就正式宣告我们对后端的学习踏出了一大步，计算机是如何工作的内容是学习JavaEE的内功也可是说是前置知识，学习它有利用我们后续的学习，所以写下了这篇博客希望可以帮助到您。

现在的计算机大体分成以下几个大类：

• 终端设备（笔记本，台式机，手机.....）

• 服务器

• 嵌入式设备

上面的三个大类都遵守冯诺依曼体系结构。

一、冯诺依曼体系

现代的计算机,基本都遵守冯诺依曼体系结构。

• 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(使用二进制方式存储)。

• 输入设备：用户给计算机发号施令的设备。

• 输出设备：计算机给用户汇报结果的设备。

二、CPU基本知识

2.1 硬盘|内存|CPU关系：

• 针对存储空间：

硬盘 > 内存 >> CPU

• 针对数据访问速度：

CPU >> 内存 > 硬盘

• 针对价格：

CPU >> 内存 > 硬盘

2.2 指令：

• 指令概念：指导CPU进行工作的命令（可以近似理解成CPU提供给程序员的API），主要有操作码+被操作数组成。

其中操作码用来表示要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是寄存器编号等。

指令本身也是⼀个数字，用二进制形式保存在内存的某个区域中。

下面我将给出一张简单的指令表（大体都是这样的），如下图：

2.3 CPU是如何执行指令的（重点）：

所谓的指令都是要先加载到内存中，然后才能被CPU读取并执行。比如一个Java 程序写出来就是一个.java源代码文件。编译得到.class 二进制文件（此时还是在硬盘上），运行程序的时候，jvm 就会把这个.class 加载到内存中，再进一步的翻译成 CPU 能识别的二进制指令。

冯诺依曼体系结构规定：

一个程序中指令和依赖的数据都是要在存储器中保存的，CPU 如果需要执行都是要自动的从存储器中读取到对应的指令的。

• 寄存器：是 CPU 上的一个模块。

• 存储器：是内存 + 硬盘。

因此 CPU 执行程序大致经历下面三个阶段：

• 读指令：把内存中的指令数据，读取到 CPU 的寄存器（CPU上也能存储数据，存储数据的模块称为 ”寄存器“ 速度比内存更快，但是存储空间跟小且更贵）中。

• 解析指令：理解当前指令要做啥。

• 执行指令：运行指令。

上述的这三个阶段是”简化版“，实际的 CPU 会更复杂。这些内容是计算机执行程序的基本过程，对于理解计算机可以说是非常有意义，虽然面试一般不会直接考这个。

2.4 小结：

• CPU中的PC寄存器，是决定CPU要执行哪条指令的关键。

• 指令是由动作 + 操作对象组成。

• CPU眼中只有指令，没有其他的概念。

三、编程语言

3.1 程序：

所谓程序，就是⼀组指令以及这组指令要处理的数据。狭义上来说，程序对我们来说，通常表现为一组文件。

• 程序 = 指令 + 指令要处理的数据。

3.2 编程语言发展（了解）：

为了提升编程效率，最早创造了汇编语言的概念。其实汇编语言和机器语言（也就是指令）直接是完全⼀⼀对应的，只是相对于0、1这些数字，发明了⼀些帮助人类记忆和理解的符号将其对应起来，也就是我们上⾯看到的类似LOAD_A、LOAD_B等。程序员完成编程之后，需要使用汇编器（assembler）将汇编语言翻译成机器语言。

虽然汇编降低了程序员的记忆成本，但要求程序还是必须掌握计算机硬件的所有知识，而且随着计算机厂商越来越多，⼀次编写的程序往往只使用于⼀类计算机。这个是远远不够的，所以更为高级的语言诞生了，高级语言屏蔽了硬件细节，让程序员可以站在更高的层面上思考自己的业务。这里以C语言为例，程序员完成程序的编写之后，需要使用编译器（compiler）和连接器（linker）将程序翻译成汇编语言，再借助汇编器变成最终的机器语言。

借助封装的思想，我们学习编程变得越来越容易。不过有利则有弊，高度的抽象，导致很多的程序员把计算机视为⼀个黑箱，完全无法理解自己的程序是如何工作起来的，希望我们大家不要做这种程序员。

注意：高级语言的⼀条语句(Statement)往往对应很多条指令(Instruction)才能完成。

四、操作系统

操作系统是⼀组做计算机资源管理的软件的统称。目前常见的操作系统有：Windows系列、Unix系列、Linux系列、OSX系列、Android系列、iOS系列、鸿蒙等。

• 操作系统的定位：

操作系统的两个基本功能：

1. 防止硬件被应用程序滥用。

2. 向应用程序提供简单⼀致的机制来控制复杂而又通常大相径庭的低级硬件设备。

五、进程

5.1 进程的概念：

每个应用程序运行于现代操作系统之上时，操作系统会提供⼀种抽象，好像系统上只有这个程序在运行，所有的硬件资源都被这个程序在使用。这种假象是通过抽象了⼀个进程的概念来完成的，进程可以说是计算机科学中最重要和最成功的概念之一。

进程是操作系统对⼀个正在运行的程序的⼀种抽象，换言之，可以把进程看做程序的⼀次运行过程。同时，在操作系统内部，进程又是操作系统进行资源分配的基本单位。

除了上述自己运行的程序时进程之外，还有一些系统自带的（对于我们系统能够稳定运行有很重要的意义）。

5.2 进程控制块抽象(Process Control Block)：

简写：PCB

计算机内部要管理任何现实事物，都需要将其抽象成⼀组有关联的、互为⼀体的数据。在Java语言中，我们可以通过类/对象来描述这⼀特征。

// 以下代码是 Java 代码的伪码形式，重在说明，⽆法直接运⾏ 
class PCB {
// 进程的唯⼀标识 —— pid; 
// 进程关联的程序信息，例如哪个程序，加载到内存中的区域等 
// 分配给该资源使⽤的各个资源 
// 进度调度信息（留待下⾯讲解） 
}

在操作系统中，通常使用 PCB 这样的数据结构来描述进程。

5.2.1 PCB的核心属性：

1. pid进程标识符：进程的id / 标识符。

2. 内存指针：该进程依赖的指令和数据都在哪里。

3. 文件描述符表：记录该进程打开了那些文件。

4. 状态，优先级，上下文，记账信息等。

5.2.2 操作系统管理进程：

• 先描述：通过 PCB 结构体来把进程的各种属性都表示出来。

• 再组织：通过链表数据结构把多个 PCB 串起来。

5.3 并行与并发的区别：

• 并行：在宏观时间上是同时执行，在微观时间上也是同时执行。

• 并发：在宏观时间上时同时执行，在微观时间上是串行执行（一条一条执行）。

由于操作系统内核内部管理好了，所以在编写应用程序的时候，无法干预，普通用户也感知不到，因此现在往往把并行和并发统称为” 并发 “。把编写解决并发问题的程序称为”并发编程“。

六、总结

重点记住指令的操作流程和进程的相关内容，掌握好进程后，在下一章多线程我们会详细讲解进程和线程的区别和各自的优缺点，这也是面试的高频考点。

结语：

其实写博客不仅仅是为了教大家，同时这也有利于我巩固知识点，和做一个学习的总结，由于作者水平有限，对文章有任何问题还请指出，非常感谢。如果大家有所收获的话还请不要吝啬你们的点赞收藏和关注，这可以激励我写出更加优秀的文章。