＜＜01javaEE系列---入门＞＞

导论

什么是软件？

软件就是通过写代码来解决一些实际问题，比如写一个记事本程序来用于记录。

如何写出一个软件？

写出一个软件需要我们程序猿同时具备 “内功心法” 和 “外功招式”。

• 内功心法就是我们所学的还有java基本语法，数据结构，数据库，计算机等的必备知识。
• 外功招式，也就是 API，库 ，框架 比如我想要模拟鼠标点击操作，就需要调用系统提供的 api

创建一个应用程序，我们可以使用别人提供的库和框架。本质上都是别人把执行库，封装好，提供api供我们调用。

如果是图形化应用程序如qt等，如果是安卓开发，我们需要学习android相关的api(android sdk)

内功和外功相辅相成，最终我们才能写出一个具有实际意义的应用程序。

我们需要了解计算机是怎么工作的。

CPU(重要的硬件设备)

cpu的内部构造是由门电路构成半加器构成全加器，再构成加法器等。
不过对于java程序员来说通常不需要了解得这么深入，因为我们只需要写好代码，计算机api的调用就由java虚拟机来做好了。

cpu基本情况

• x86架构 如intel，amd等，我们的电脑还有服务器大多采用的是x86架构，x86还可以划分为32位和64位。
• arm架构 如苹果，高通，台积电等， 目前的苹果电脑使用的是m系列也就是arm架构的芯片，还有苹果，以及我们熟知的搭载安卓系统的设备如小米等，还有一些电脑使用的也是arm架构的芯片。

x86和arm的区别在于指令集不同。

我们目前的cpu使用的cpu都是多核和超线程加持的产物。
这是因为cpu不能做的太小，这可能会涉及到我们熟知的量子力学。
也不能做的太大，这样不能保证良品率。

那么有没有一个很好的办法能够有效地实现cpu的性能提升呢？
其实就是通过采用多核来解决这个问题。
通过超线程技术，我们甚至能够把一个cpu当成两个来用，比如我的cpu核心数是8核，那么通过超线程我可以得到16核，相当于一个人干两个人的活。

我的cpu核心数：

不过有些cpu是采用大小核的架构。这样小核不能使用超线程，大核可以，这样可能引起大小核调度问题。

软件上我们就引入了并发编程。
在后面进行并发编程时，cpu核心数时一个非常重要的参考依据。

什么是cpu频率

cpu频率描述单个cpu核心工作的速度。
严格来将叫做时钟周期。
如果是超线程，那就表示超线程后的单核。
通常可以把频率当作每秒执行的指令数，虽然这只是粗略估计。

单位计算如下：

• 1KHz=1024Hz
• 1MHz=1024KHz
• 1GHz=1024MHz
  我们的cpu频率都是以GHz为单位的，相当于每秒执行亿次指令，这个速度很快。
  睿频技术
  cpu的频率发生动态变化，主要取决于当前任务多不多，因为频率过高会更耗电。
  衡量一个cpu的单核性能，既要看基础频率（下限），也要看最大睿频（上限）

我的cpu频率，可以看到它是动态变化的，上面是动态变化的值，下面是基准频率，还有最大睿频（也就是最大的频率），我的cpu的最大睿频是5.5GHz，但是要注意的是这里基准频率不是所能达到的最低频率，因为可以看到我的动态变化的值比这个基准频率还要小。

什么是缓存呢？

为啥需要缓存？
这是因为在冯诺依曼架构下，内存的速度（频率）达不到cpu的速度（频率）。为了解决这个问题，我们引入了缓存和流水线。别看缓存很小，它的速度比内存快很多，如果cpu是舞台，那么缓存类似于临时安置演员的地方，指令比作演员，我们把下一次还要用到的演员安排到离得很近的幕后下，确保下一次能很快上台。

什么是流水线
就是演员A在表演时提前去接演员B，演员C，等演员A谢幕后，正好B就来了。

cpu指令集

对于不同架构的cpu，支持的指令集是不同的 arm是精简指令集，x86是复杂指令集。

那么什么是指令集呢？

类似的，我们来介绍一下指令表。
简单模拟cpu执行指令的过程，这里给出一个简化的版本

其中RAM就是我们所说的内存。
寄存器就是cpu上存储数据的单元。和缓存不同，寄存器是在cpu内部，而缓存是在cpu和内存连接的通道上。
cpu上直接存储的数据比较少，这些寄存器主要是为了支持cpu完成一些计算，保留中间结果的。
和缓存一样的，虽然空间有限，但是访问速度极快，比内存访问速度至少快3-4个数量级。

下面这段指令，其实就是内存中的一段数据，我们写好的代码最终想要执行，都是要让操作系统先把编译好的代码加载到内存中，然后cpu才能执行的。

假定从0号地址开始执行。
cpu就会先从0号地址依次读取数据到cpu寄存器中，并且对这个指令进行解析。具体解析就是参照指令表。指令表时cpu出场就规定好的一种规范。
当然，并不一定是依次执行，比如if，while，for，还有函数调用。这就需要cpu调用对应的指令。

操作系统

操作系统时一个重要的软件，用于管理各种硬件设备，并给其他软件提供稳定的运行环境。

一个电脑的硬件有：

• 显示器
• 键盘
• 鼠标
• 麦克风
• 摄像头
• 内存
• 外存（硬盘，软盘，u盘等）

目前主流的操作系统有：

• Windows
• Linux
• Mac
• Ios
• Android

由于操作系统的api都已经写好了，我们在写代码时只需要调用系统api即可，另外我们java的jvm对系统又进行了抽象封装，因此咱们java程序猿只要使用JVM提供的api就可以起到操作各种不同的系统来完成编程了！咱们写的代码不仅能在windows上能跑，到linux能跑，到macos上也能跑！

小结

• 在冯诺依曼体系架构下，执行单元（cpu）和存储单元（内存）是分开的，要执行的指令会被加载到内存中，cpu需要从内存中读取数据和指令，解析指令和执行指令。cpu的这种读取很低效，因此我们需要给cpu加入缓存或者引入流水线。
• 操作系统 是管理各种硬件设备和软件设备的集合，给软件提供稳定的环境，对各种硬件和软件进行抽象和封装，例如在linux下，就是一切皆文件。

进程/任务

进程就是操作系统提供的一种软件资源。也就是说，进程是系统分配资源的基本单位。

多任务操作系统是当下的主流。
我们现在所用的系统都属于多任务操作系统，同时可以运行多个任务，比如我用着画图板和浏览器，还在使用qq音乐听歌。这些运行中的程序，就可以称为任务，也叫做进程。

当然，也有单任务操作系统，例如“老人机”。单任务操作系统不能后台运行，也就是说：“要想执行另一个程序，就需要先退出前一个程序”。
我们目前使用的智能手机，能够来回切换，其实也是有在后台运行的。

对于多任务操作系统来说，进程的概念就非常重要了。
可以认为，计算机中的每一个进程在运行时，都需要给它分配一定的系统资源。进程是系统分配资源的基本单位。

进程在系统中是如何管理的呢？
我们操作系统的进程管理，其实就分为两步：

1. 描述：使用类/结构体这种方式，把一个实体熟悉给列出来。
2. 再组织：使用一定的数据结构，把这些对象/结构体串到一起。

例如，学校要对学生进行统一管理，那么就需要：

1. 先描述：把一个学生的各种属性都给列出来;
2. 再组织：使用一定的数据结构，把所有学生的信息整合到一起。

再细分：
描述：操作系统一般是使用c/c++实现的，例如linux，因此就可以使用结构体来表示进程信息，我们给它起个名字，就叫**PCB（进程控制块）**吧。（注意，这里的PCB是Process Control Block，不是你想到的那个）

PCB是操作系统学科的通用概念（不管在windows上，还是在linux上，都适用）。在linux上，PCB就是一个struct task——struct这样的结构体。

组织 以linux为例，我们使用链表这样的数据结构来把若干个task_struct（前面讲的PCB），给串起来的，就像烤串一样。
当我们看到任务管理器中的进程时，意味着系统内部就在遍历这些链表，并打印每个节点的相关信息。
如果运行一个新的程序，于是就在系统中多出一个进程，多的这个进程就需要构造一个新的PCB，并添加到链表上。
如果某个运行的程序退出了，操作系统就需要把对应的进程的PCB从链表中删除掉，并销毁对应的PCB资源。学过数据结构应该会对这些很清楚。

PCB核心属性

PCB这个结构体，是一个非常庞大的结构体（有上百个属性）

pid属性

进程身份标识，通过一个简单的不重复的整数来进行区分的，系统会保证pid的唯一性，针对某个进程来操作，就可以通过pid，pid一般是从1开始累加的。一般来说pid是一个32位整数

我们想要结束系统中正在运行的某个进程，就先选中某个进程，然后点击结束任务，此时任务管理器获取你选中的这个进程的pid,然后调用系统api,把这个参数（pid）传进去，从而完成结束进程的操作。

为了描述进程使用哪些内存，我们需要引入内存指针的概念

内存指针

什么是内存指针？
通常是一组，进程在运行过程中需要消耗一些系统资源，其中内存就是一个重要的系统资源。整个系统的内存不是我们决定的，而是操作系统给我们分配的。

可以把内存想象成一个旅馆，这个旅馆里面有很多个房间，所谓的申请内存，就是你跟老板（具体跟谁说我不清楚，因为我没有去过旅馆）说开一个房间，这时候就是申请到了一个空的房间号（这个房间号是我们不能确定的）。
那么，如果房间没申请，我们能进去嘛？
一方面，你没申请你也进不去，另一方面，你强行破门而入，后果不可预知。

每个进程都必须使用自己申请到的内存
内存指针就是为了描述这个进程都能使用哪些内存。
一个进程润（run）起来时，需要有指令和数据，这些都是要加载到内存中的，进程需要知道哪里是存的指令，哪里是存的数据

指令和数据是在进程跑起来之前加载的

比如我们双击运行一个exe文件，就是运行进程，这个过程中，就是系统先把指令和数据加载到内存中，然后再创建进程，让进程执行。

指令一般不会很大，数据是有可能会非常大的，比如服务器程序，启动过程至少要消耗10分钟，这十分钟里要加载100GB的数据到内存中。

虽说需要加载到内存，但是总有断电的时候，那么我们该如何操作呢？这就需要引入文件描述表的概念。

文件描述表

我们的进程经常要访问硬盘，操作系统将硬盘进行了封装，比如linux的/dev/目录下，我们可以找到nvme0n1pX,或是sda、sdb等。
我们所说的存储器，就是内存加外存，其中外存包括不限于，硬盘、软盘、光盘和U盘等。

一个进程想要操作一个文件，就需要先“打开文件”，就是让进程在文件描述符表中分配一个表项（构造一个结构体），表示这个文件的相关信息。
进程是操作系统分配资源的基本单位。内存和外存这些都在PCB中体现。

CPU资源

CPU是最复杂的，一个进程消耗的cpu资源，一般都是指cpu占用率，每个cpu的核心（一个cpu可以有多个核心）就好比一个舞台，进程要执行的指令就是演员，演员要上台才能进行表演。
我们在资源管理器所看到的cpu的百分数，其实就是你的进程在cpu舞台上消耗的时间的百分比。
如果有一个进程把cpu吃满（100%）了，就意味着这个进程把cpu霸占了，
同一个时刻，同一个舞台上，只能有一个演员

分时复用

我的这台电脑上的cpu,就有16个逻辑核心（如果不了解逻辑核心，可以看看我前面讲的）。

我系统上的进程远远不止16个！！！但是只有16个逻辑核心，该怎么分呢？
这就需要让多个演员轮流上台，（假设我们现在的电脑只有一个核心），如果有多个核心，就可以不同舞台同时刻安排演员。这就是我们所说的分时复用（并发）

注意，这里讲的和我们之前所说的同时运行是不冲突的，（CPU频率往往都是GHz,一秒钟能够执行几十亿条指令的，由于执行速度太快，我们肉眼感知不到）

现代计算机的执行，往往是并行+并发同时存在。
多个进程是并行执行还是并发执行，都是看系统调度，系统如何调度取决于系统的调度器模块，这我们干预不了。
因此，我们往往就把“并行”和“并发”统称为“并发”，后续相关的编程方式，我们一般称为“并发编程”。