【JavaEE】计算机是如何工作的

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【补充】数据库

辛苦 当然辛苦啊！ 谁不辛苦呢

1. ① RDBMS 是SQL 的基础，同样也是所有现代数据库系统的基础，比如MS SQL Server, IBM DB2, Oracle, MySQL 以及Microsoft Access。
   ② hadoop是分布式数据库。
2. mysql返回值相关

① count(*) 返回的是表的行数，如果是空表返回的是0，而不是null；
② max(列名) 返回的是该列的最大值，如果该列为空，返回的就是null；
③ MySQL concat函数使用方法：
CONCAT(str1,str2,…)

返回结果为连接参数产生的字符串。如有任何一个参数为NULL ，则返回值为 NULL。

3. 容易引起oracle索引失效的原因很多：

1）在索引列上使用函数。如SUBSTR,DECODE,INSTR等，对索引列进行运算.需要建立函数索引就可以解决了。
（即：使用了索引之后再使用了函数且没有建立索引函数，那么该索引就失效）
2）新建的表还没来得及生成统计信息，分析一下就好了
3）基于cost的成本分析，访问的表过小，使用全表扫描的消耗小于使用索引。
4）使用<>（不等于）、not in 、not exist，对于这三种情况大多数情况下认为结果集很大，一般大于5%-15%就不走索引而走FTS。
5）单独的>、<。
6）like “%_” 百分号在前。
7）单独引用复合索引里非第一位置的索引列。
8）字符型字段为数字时在where条件里不添加引号。
9）当变量采用的是times变量，而表的字段采用的是date变量时；或相反情况。
10）索引失效，可以考虑重建索引，rebuild online。
11）B-tree索引 is null不会走,is not null会走,位图索引 is null,is not null 都会走、联合索引 is not null 只要在建立的索引列（不分先后）都会走。

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简介

1. 【javaEE】主要目标就是做出一个网站

• 一个网站= 前端（客户端，浏览器运行的网页）+后端（服务器，公司机房部署的程序——java主要进行的工作）
• 了解：① 后端：java，C++，Go，Python，PHP，Ruby，C#，… --> 竞争关系
  ② 前端：HTML（页面结构），CSS（页面样式），JavaScript（页面逻辑） --> 合作关系
• java主要用于： ①嵌入式开发：功能手机（如 诺基亚）app开发 J2ME
  ②服务器开发：后端 J2EE
  （但是2007年乔布斯发布苹果手机，智能手机上位，功能手机逐渐淘汰）

2. 计算机 祖师爷：图灵（理论）、冯诺依曼
   （1946年出现 第一台电子管计算机——埃尼阿克）
3. 内存RAM可以支持 O(1) 时间复杂度访问任意位置的数据
4. 控制单元CU 驱动 算术逻辑单元ALU 进行计算
5. 指令，即指导 CPU 进行工作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成
6. 小结：

① CPU 中的 PC 寄存器，是决定 CPU 要执行哪条指令的关键；
② 指令是由 动作 + 操作对象组成
③ CPU 眼中只有指令，没有其他的概念

7. 程序 = 指令 + 指令要处理的数据
8. 高级语言的一条语句(Statement)往往对应很多条指令(Instruction)才能完成。
9. CPU分配：时间； 内存分配：空间。
10. 目前，主流操作系统提供的进程通信机制有如下：

① 管道
② 共享内存
③ 文件
④ 网络
⑤ 信号量
⑥ 信号
其中，网络是一种相对特殊的 IPC 机制，它除了支持同主机两个进程间通信，还支持同一网络内部非同一主机上的进程间进行通信。

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一、CPU、门电路及编程语言

1. 计算机的构成：（冯诺依曼体系结构）
   CPU、存储器（内存、外存）、输入设备、输出设备

2. CPU中央处理器：计算机最核心的部分，用于进行算术运算和逻辑判断。
   ① CPU是人类当前科技的巅峰之作，能够和CPU相提并论的只有氢弹。但是其实CPU原理本身不难，难的是CPU的工艺，集成程度高，元件极小，一般都是使用激光进行刻蚀的
   ② 【CPU最核心的一个指标：主频】
   –> （Hz：频率，即1s能够做/计算几次/时钟周期 G=10^9）
   ③ CPU这类芯片，从诞生之初到现在一直是按照“指数规律”发展的，这种规律叫做“摩尔定律”
   （摩尔是Intel的副总裁，联合创始人之一；提出“每隔18个月，芯片集成度提高一倍，运算速度提升一倍，成本降低一半”））
   ④ CPU主要就是去执行指令的，而程序员编写的程序最终就会变成指令在CPU上执行

3. 以C语言为例： .c源文件 使用编译器编译生成 可执行文件.exe文件
   –> .exe文件是存储在硬盘上的；当双击该程序的时候，操作系统就会把可执行文件加载到内存中。该文件中包含了 程序要执行的指令 以及 指令所依赖的数据。
   ——注：点击.exe文件其实只是把exe文件执行起来，指令从硬盘到内存，CPU并 没有 真正开始执行指令。

4. CPU如何执行指令？
   ① CPU把内存中的指令读取到CPU中：CPU内部也有能存储数据的单位，称为寄存器；所以寄存器存储从内存中读取到的指令、数据。
   ② CPU解析指令：内存中存储的指令都是二进制的序列，解析就是去翻译这些指令。
   ③ CPU执行指令：真正按照指令的安排来进行计算
   —— 简单粗暴的认为，以上的每一个操作都至少消耗一个时钟周期）
   （CPU为了进一步提高执行指令的效率，还会引入“流水线”式作业。）

5. CPU基本工作过程：
   1）主频：描述了1s有多少个时钟周期（近似看成是1s执行多少个指令）
   2）执行程序的过程：硬盘=> 内存=> CPU => 解析指令=> 执行指令
   3）Java程序也是类似C语言一般：.java => .class => JVM读指令、解析指令、执行指令 => 转换成CPU能认识的二进制指令
   （不同的CPU支持的指令是不一样的，因为CPU的架构体系有差别
   ——如：平时电脑CPU一般是x86架构； 手机上使用的一般是ARM架构； 另外，还有一些MIPS架构）
   4）汇编语言其实是等价于机器指令的，汇编语言和机器指令是一一对应的关系。机器指令是二进制的，而一长串二进制序列不方便看就使用一些简单的单词来替代，而简单的单词就构成了汇编语言。

6. CPU如何构成？
   CPU上面包含着非常多的“门电路”。这些门电路都是通过半导体元件构成的。
   （CPU就是无数这些基础门电路的组合）
   
   （注：半加器、全加器都有 进位、和 两个输出位）

7. 编程语言
   1） 无论是哪种高级语言，都是要转换成CPU能够识别的指令的。
   但是：不同的高级语言支持的语法不一样，编译器也不一样，导致转换生成的CPU指令也不一样； 不同的高级语言在完成同样的工作的时候所消耗的成本是不一样的
   2）编程语言梯队：
   ① 第一梯队：C、C++执行效率极高：主要应用场景就是对性能要求比价高的场景，如：操作系统内核、游戏引擎、搜索引擎、性能要求较高的服务器、嵌入式设备、人工智能（注意：人工智能的核心逻辑都是C++写的，为了使用方便，很多C++编写的组件都提供了Python风格的API；当然，使用别的语言也是可以调用的）
   ② 第二梯队：JAVA、Go、Rust…
   ③ 第三梯队：Python、PHP、JS… 这些语言不是追求运行效率，更看重的是开发效率
   （相较于运行效率，开发效率更重要，因为人力成本远大于机器的硬件成本）

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二、操作系统

1. 操作系统：是一个搞管理的软件：对下能够管理各种硬件设备，对上能够给软件提供稳定的运行环境。

2. 平时常见的操作系统：Windows、Linux（一般用于服务器和嵌入式设备）、Mac OS --> PC
   IOS、Android（本质上是Linux） -->手机端

3. 计算机系统：（由下至上）硬件、驱动、操作系统内核、系统调用、应用程序。
   而 （驱动、操作系统内核、系统调用） 又是操作系统的范畴
   ① 操作系统内核：实现了操作系统最核心的功能，如：内存管理、硬盘管理、进程管理、设备管理、文件管理等
   ② 系统调用：操作系统提供的API，通常也是C风格的；应用程序需要调用这里的API才能完成一些具体的工作
   ③ 驱动：在设计操作系统内核的时候很难做到能够识别全部的硬件，此时就需要靠驱动程序让系统内核认识且管理硬件。
   （驱动程序，其实也是一个软件，而这个软件是由硬件产商提供的）

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三、进程

1. 进程也叫做任务；一个跑起来的程序就称为进程。
   ① .exe文件叫做“可执行文件”/“可执行程序”，是一个存储在硬盘上的文件（静态的）
   ② 双击该.exe文件，操作系统就会把这个文件中的核心数据加载到内存中去，同时在系统中生成一个“进程”；可以在“任务管理器”中看到该进程。
   （注：程序是静态的， 进程是动态的）

2. 辨析题
   1）有的同学说：电脑上安装的程序太多了，电脑就卡了。
   ——其实这个说法是不成立的。 程序是安装在硬盘上的可执行程序，只是占用了硬盘的空间；在双击运行之前都是不占用内存空间的，也是不占用CPU资源的；所以只要不是在硬盘空间快满了，都不会影响计算机“卡/不卡”的。
   如果运行的程序太多，也就是进程太多，占用了很多的内存资源和CPU资源，此时计算机就可能会出现卡的情况
   2）有同学说：C盘上的东西太多导致电脑卡。
   ——其实这也是不成立的，除非是C盘空间已经快要没了就可能会卡。
   理由：很多操作系统在内存空间不够的时候会使用一部分硬盘空间作为“交换分区”，如果你的C盘空间没了而影响了交换分区的使用，这个时候电脑可能就会出现卡顿。
   3）开机自启动的程序是会影响电脑运行的，一旦开机程序就变成进程开始吃内存资源和CPU资源，则可能会导致卡

注意：入职时， 千万不要在办公电脑上安装360等软件！！

3. 同一时刻，系统中会有很多进程，操作系统是如何管理这些进程的呢？
   ① 描述：详细地表示清楚一个进程有哪些属性/信息
   （通过结构体来描述，因为操作系统一般是使用C、C++来写的，所以没有类的概念；一个结构体中包含了一个进程的各种信息；
   该结构体又被称为PCB进程控制块）
   ② 组织：通过一定的数据结构，把若干个用来描述的实体放到一起并进行增删改查（系统中通常使用双向链表这样的结构来把这些PCB给组织在一起）

• 创建一个进程，本质上就是创建PCB，并且加入到链表上；
  销毁一个进程，本质上就是从链表上删除对应的PCB结点；
  查看任务管理器的进程表，本质上就是遍历这个链表。）

• 一个进程可能是一个PCB，也可能对应多个； 系统这里管理PCB的链表也不一定是一个

4. PCB里有啥？（其实就是进程里有哪些关键的要素）
   ① pid：进程的身份标识，一个主机在同一时刻进程的pid是唯一的，通过pid来区分一个进程
   ② 内存指针：描述哪块内存是干啥用的。【描述了进程持有的内存资源】
   【一个可执行文件双击开始运行后操作系统会把核心数据（要执行的指令以及指令所依赖的数据）从硬盘加载到内存中。
   故：如果要创建进程就势必要给进程分配内存空间；然后这个内存空间上就有很多区域：有的用来放指令，有的用来放数据，还有的用来维护运行状态。而内存指针就是来描述哪块内存用来干啥的】
   ③ 文件描述符表：【描述进程持有的文件资源】 每个进程都可以打开一些文件（文件其实都是存储在硬盘上的数据），而文件描述符表里面就记录了当前进程都打开了哪些文件（打开了之后后续就可以针对这些文件进行读写操作了）

【进程是操作系统分配资源的基本单位】
（下面的属性④⑤⑥⑦都是和“进程调度”有关系的【进程调度：CPU资源有限，需要合理安排】）

Ps.
n核CPU就是同时可以跑n个任务。
① 多核CPU：CPU的运算能力和集成程度是相关的（集成程度：单位面积下元件越多，单个元件就越小）
② 每个CPU核心上又可以独立运行一个进程（运行进程相关的指令）， 则多核CPU就可以同时独立的运行多个进程——【并行执行】
③ 一个CPU核心，先运行一下进程1，再运行进程2，再进行进程3…只要微观上切换的足够快，宏观上看起来就像是3个进程在同时执行——【并发执行】
（其实：并行执行是多个CPU，而并发执行是一个CPU）
【所谓的进程调度，其实就是通过“并行”和“并发”的方式让计算机“同时”执行多个进程（任务）——多任务操作系统
单任务操作系统不支持并发/并行】

（下面的属性存在的意义就是为了支持“进程调度”）
④ 进程状态：简单分为：就绪状态（随叫随到）、阻塞状态（不能随叫随到）。
（阻塞状态的进程就无法调度到CPU上执行，就绪的进程才能上CPU执行）
⑤ 进程优先级：系统调度的时候会根据优先级来安排时间，但是创建进程的时候可以通过一些系统调用来干扰优先级（相对的）
⑥ 进程上下文：进程在CPU执行了一会儿之后要切换到别的进程，不能一直占用，此时就需要保存当前运行的中间结果（存档），下次再轮到该进程的时候就恢复之前的中间结果（读档），继续往下执行（对于进程来说，上下文就是CPU中寄存器中的值，寄存器的值就包含了运行的中间结果，需要把这些结果保存到PCB的上下文信息中（也就是内存中））
⑦ 进程记账信息：每个进程在CPU上执行了多久（执行时间不是按照s去衡量的，而是按照指令执行条数去衡量的）的信息统计，辅助调度的效果；使得调度更加均匀，避免有的进程完全捞不到CPU

（在上述的基础上就可以完成进程调度了）

进程到这里还涉及到一个关键概念——虚拟地址空间

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四、 虚拟地址空间

1. 给每个进程划分各自的内存空间（活动范围），不要让这些进程的活动范围重叠，这些空间就叫做“虚拟地址空间”（不是真实的物理内存地址），通过专门的设备MMU来完成虚拟地址到物理地址之间的映射。

2. 如果虚拟地址不小心访问了超过自己范围的内存空间，在MMU映射的时候就能够及时发现，从而避免对物理内存产生影响
   ——即：MMU可以针对虚拟地址空间进行校验，如果非法地址就直接通知进程（比如直接杀死进程），从而及时止损，避免影响到其他进程

3. 【使用虚拟地址空间，就认为进程之间存在了隔离性。
   一个进程是不能直接访问另一个进程的内存数据的。防止了进程间的干扰操作，提高了系统的稳定性；不会因为某个进程bug而影响到其他进程】

4. 有了隔离性之后，虽然进程是稳定了，但是又出现了新的问题：有些需求场景其实是要求进程之间要相互配合的，而隔离之后进程之间就很难进行交互了。
   ——故：系统引入了一个机制：进程间通信（无论是哪种进程间通信，核心原则相同：找一个 多个进程都能够访问到的公共资源，然后基于该公共资源来进行数据交换）
   （公共资源：可能是一块内存，可能是一个文件，也可能是网卡…）

5. 进程要有独立性（相互之间互不干扰）；
   进程之间如果想要进行通信，就需要使用特定的通信机制（基于文件、基于socket网卡加粗样式）

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五、小结

1. 进程是如何管理的？
   ①PCB描述
   ②双向链表组织
   （具体看上面）

2. 虚拟地址空间（进程独立性）

3. 进程间通信（公共资源）

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THINK

1. CPU构成
2. 进程以及辨析题
3. 虚拟地址空间
4. 操作系统