JavaEE初阶 01 计算机是如何工作的

前言

今天开始进行对JavaEE的一些基本总结,希望大家能在阅读中有所收获,如有错误还望多多指正.

1.冯诺依曼体系结构

 这个体系结构相信学计算机的同学都不陌生,但是你真的知道这个体系结构说的是什么嘛?请听我娓娓道来.首先我先给出一张冯诺依曼体系结构的简图

你可以理解为当前的计算机就是五大结构组成的,它们分别是:输入设备,输出设备,存储器,运算器和控制器(cpu)组成

可能你并不理解,下面我举一些你知道的例子

输入设备:键盘,鼠标..

输出设备:音响..

存储器:usb,软盘,硬盘...(二进制存储)

cpu相信大家都不会过于陌生,不做过多介绍

下面介绍它们的容量和访问速度

容量:硬盘 > 内存 >> CPU

访问速度:CPU >> 内存 > 硬盘

2.cpu基本情况 

我们都知道cpu是一个计算机的灵魂,下面我们也来介绍一点点关于cpu的知识

一谈到cpu,可能有些男同胞就要坐不住了

A:小米今年又首发了8gen3,我直接冲

B:我都用上4090了,怎么说开一把

很多同学都对这些cpu"很有见解",那么它们有什么区别呢,为什么手机和电脑的cpu不能使用一样的呢??

首先,家用pc或者是服务器大家熟知的肯定是amd,intel

手机上大家熟知的可能就是苹果,高通等等

这里家用pc和服务器使用的cpu就是x86架构的,性能就强一点

这里手机使用的就是ARM架构的,为了节省电量,保持续航,性能就没那么强

不同的cpu它们的架构就可能不同,架构不同支持的指令集可能就不同,指令集不同,支持的机器语言/汇编语言可能就不同,这样就可能导致不兼容问题,比如苹果刚出来那会很多从Windos转mac机器的就会发现很多东西不兼容导致很多问题.

小例子

这里很多人可能好奇这里的cpu指令是啥,咱们可以暂时理解为是一些二进制的指令,后续再做介绍,我们这里可以跟大家掰扯掰扯外挂式怎么操作的,其实外挂的原理也是一个程序,需要通过这个程序对游戏的那个程序产生一些影响.假设你现在正在运行csgo游戏程序,在运行加载的过程中,很多应用数据和逻辑代码就会被加载到内存中,这个时候外挂程序就将逻辑给修改了,比如修改了光线的逻辑判定,这里你就可以透视了等等...

cpu是怎么构成的?

门电路 -- 半加器 -- 全加器 -- 加法器 -- ALU计算器 -- CPU

即使你不了解这些设备,你也要知道这些内存硬盘这些重要的设备是由门电路所构成的

而门电路又是由一个一个晶体管构成的,之所以现在这些设备那么厉害,也是因为现在的工艺能使得这些东西足够小,比如现在的4nm工艺,其实这个东西越小,就说明它的集成程度也就越高,对应的算力也就越来越强.

但是这个cpu能无限小吗???

答案是否定的,因为当一个物体足够小的时候,经典物理学就已经失效了,我们这个时候就要考虑量子力学的维度了!

那么能不能把cpu搞大一点??

其实也做不到,因为一旦把cpu搞大了,这样良品率就会降低,这样加工的经济损失也就会很大.

如何解决??

这里intel给出了一个解决方案,"多核cpu",相信大家并不陌生,你们的电脑手机等都是多核的cpu.相当于本来一个人也一个人干,现在好多人一起干活,也就更快了(前提是软件得配合)

现在劳动力也有了,也需要软件将任务合理分配给多个cpu,这就引入了并发编程的概念.

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能不能让一个cpu核心当成两个用??(我们的这个信息可以在任务管理器里查看到)

现在也可以,有一个超线程技术,就可以让cpu一个顶俩

那有人说了,我的为啥不是两倍的关系呢??

这是因为intel在后面引入了大小核的技术,大核带有超线程技术,小核就没有了

但是这也不是评判cpu的好坏的唯一参数,有可能你核心确实很多,但是单核频率并不高,性能也就没那么强.

同架构下,cpu频率越高越好

这里我们还注意到一个参数:cpu的速度

其实就是cpu核心工作的速度,1GHZ大概就是十亿次"时钟周期",我们也可以近似的认为一秒钟cpu执行了十亿次指令,像这里一秒钟就是执行25.7亿次指令..

除此之外,睿频也可以体现一个cpu的综合实力

CPU的频率会随着任务的多少动态分配资源从而发生变化

所以衡量一个CPU性能也可以看基础频率(下限)和最大睿频(上限)...

3.指令  

下面我们再谈谈cpu一秒钟执行的那么多二进制指令,都是些什么

我们可以简单模拟一下cpu执行指令的过程

首先我们引入一个简单的指令表

默认情况下,cpu执行指令是顺序执行的,除非遇到跳转命令...

指令(instruction)	功能说明	4位 opcode	操作的地址或者寄存器
LOAD_A	从 RAM 的指定地址，将 数据加载到 A 寄存器	0010	4 位 RAM 地址
LOAD_B	从 RAM 的指定地址，将 数据加载到 B 寄存器	0001	4 位 RAM 地址
STORE_A	将数据从 A 寄存器写入 RAM 的指定地址	0100	4 位 RAM 地址
ADD	计算两个指定寄存器的 数据的和，并将结果放 入第二个寄存器	1000	2 位的寄存器 ID 2 位的寄存器 ID

假设我们执行这样一段指令

1.00101110

分为opcode和操作的地址

opcode就是0010 也就是 将14号地址的数据加载到a寄存器

此时a里面就存了 00000011

2.00011111

0001 1111

向b寄存器加载15号地址的数据

b:00001110

3.10000100

1000 0100

就是将两个寄存器的和放到后面一个寄存器中

此时a是000000011 b是00001110 加起来就是 00010001

最后放到A寄存器中,因为后面的操作数是0100后面是00,00是A寄存器

4.01001101

0100 1101

就是将a寄存器里的数据写入1101的内存地址处

这里13号地址就写成了 0001 0001

4.CPU小总结

1.cpu 要执行的指令,是在内存中的(冯诺依曼体系结构,基本设定,是让存储和执行单元解耦)

2.cpu要想执行指令,就得去没存中取指令,再解析指令,再执行指令

3.取指令需要从内存中读取指令到cpu的寄存器中,取指令相对来说是非常耗时间的,因为读取内存操作相比于cpu执行的操作来说,开销要大得多.(这就引进了流水线,缓存来缓和他们之间的速度差)

4.cpu解析指令的时候,就需要使用'指令表',不同架构的cpu指令表不同,指令表是写死到cpu里的

5.指令在执行的时候,会带有一些操作数,不同的指令,操作数个数的含义都有所不同

6.cpu的主频可以近似看做一秒钟cpu执行的指令条数

5.操作系统 

这里我首先要说明,操作系统是一个软件!!!

操作系统主要负责:

1.给软件一个良好的运行时环境

2.管理好不同的硬件设备

四个字概括他的功能就是:抽象,封装

我们知道JVM又是对操作系统的抽象封装,所以最终的结果就是我们可以使用JVM提供的api来操作不同的系统,来完成编程.

话又说回来,操作系统也是来应对不同的厂商设计的不同的硬件设备,他站出来,管理不同的硬件设备,给软件提供一些系统api,这样我们写的代码也就是无需面向硬件设备来编程,而是直接调用操作系统提供的api即可,我们也能使用这些api来完成(多线程编程,网络编程等等)

6.进程/任务

进程就是操作系统提供的一种"软件资源".

我们现在使用的系统其实就是属于多任务的操作系统

多任务操作系统,也就是同一时刻可以运行多个任务,这里我们可以打开任务管理器看看,就可以看到我们现在正在运行的任务

与之对应的也就是单任务操作系统,,没有后台执行,向执行这个任务就必须退出上一个任务.这样是非常不方便的,所以现在我们使用的就是多任务的系统.

对于多任务的操作系统,进程的概念就显得尤为重要,每个任务在执行的过程中,就会消耗一定的硬件资源,也就是每个进程在运行的时候都是会消耗硬件资源的,换而言之,进程就是操作系统分配资源的基本单位.

以下表述都是简化版本的

操作系统是如何管理进程的??

1.先描述清楚一个进程(使用类/结构体这样的形式来描述)

表示进程的结构体称为PCB(Process Control Block)

PCB是操作系统学科上的通用概念

在linux上PCB表示为一个叫struct task_struct{}的结构体

2.再进行管理(使用一定的数据结构,将这些进程管理起来)

在linux中使用的是链表将这些结构体管理起来的

当我们看到任务管理器这些进程的时候,其实系统内部就在遍历这个链表,并且打印出来每个节点的相关信息.

如果多运行一个进程,就会出现一个新的PCB,添加到链表上,同理退出也需要删除这个PCB,并且释放资源

注:程序崩溃,操作系统并不一定会崩溃,其实是相当于程序执行过程中,抛出了一些异常,通常系统会使用"try-catch"的方式捕获异常.但是有些程序可能是带有驱动的,实在操作系统的内核中运行的,出现问题可能就会导致操作系统直接蓝屏或者卡死

PCB

这里介绍一下pcb的一些重要的参数

1.pid :此时会通过一个不重复的整数来去问各个进程,系统会保证每个进程的pid都是不同的.

比如要结束一个任务,任务管理器就会获取你选中的pid,调用一个系统api,传入pid为参数,进而杀死进程.

2.内存指针:内存指针是描述说你这个进程都能使用哪些内存的,一个进程跑起来的时候,需要有指令和数据,这些资源都是先加载到内存中去的.进程也需要知道哪里是指令,哪里是数据.指令和数据都是在进程跑起来之间加载到内存中去的.

3.文件操作符表:描述了一个进程所涉及到的硬盘资源

我们的进程其实经常要访问硬盘这样的硬件设备,操作系统对硬盘进行了"封装"操作,使得其是以文件的形式展示的.这里的文件操作符表其实是一个数组,里面存放的是结构体指针,指向对应的需要访问的硬盘资源文件的结构体

这里我们都知道内存硬盘这些在pcb中都好描述,那么CPU呢,下面我们接着说,一个进程消耗CPU资源是什么意思呢?就是一个cpu可能是单核的,也可能是多核的,每个核心同一时间只能执行一个指令,那么假如我是16核的cpu,我现在同时进行20个进程,不能满足一对一的关系了怎么办??

这里其实就引出了分时复用的概念(并发),也就是多个进程分别进行,你执行一下我执行一下,这样只要速度足够快,人眼是分辨不出来是否是"同时的".

再举一个场景,现在有四个核心,4个进程,就可以实现并行执行,这个才是真正意义上的同时进行,现在的计算机往往是分时复用+并行执行一块使用的,主要还是看系统如何调度

4.状态

状态是描述某个进程是否可以在cpu上去执行,有的时候可能是不是不太方便去执行...

这里只说两个状态(其实有很多)

就绪状态:随时准备好去cpu上执行

阻塞状态:此时不应该去调度这个进程(比如此时在进行等待I/O,控制台的输入等等)

5.优先级

多个进程在等待系统调度,其中这些进程调度的先后关系是可以设置的

比如可以通过系统api来设置

6.记账信息

针对每个进程,占用了多少cpu时间进行一个统计,会根据统计来调整调度的策略来避免有进程使用不上cpu的资源

后续还有接着本文的补充,希望大家多多支持