计算机是如何工作的？

一、关于CPU

CPU本质：是通过一些基础的门电路构成的

由电子开关-》基础门电路-》半加器-》全加器-》加法器-》进行加减乘除……逐步实现更复杂的操作

CPU为啥跑的快？

因为CPU集成程度非常高，里面包含了非常多的门电路，许多门电路一起算，就会跑的快

---

二、关于操作系统：

操作系统：是一个搞“管理”的软件，是计算机上最重要，也是最复杂的软件之一

1、对下，管理好各种硬件设备 2、对上，给各种软件提供稳定的运行环境

操作系统种类：Windows、Linux、mac、Android、ios、openwrt……

---

三、关于进程和线程

进程process(任务task)：跑起来的程序就是进程，(运行起来的.exe可执行文件就是进程）

补充：在.exe可执行文件，没有双击执行前，都是一个个文件存在硬盘中，双击之后，操作 系统就会把这个.exe加载到内存中，并且让CPU开始执行.exe内部的一些指令（.exe里面存了很多这个程序对应的二进制指令），这个时候，就将.exe执行起来了，此时就是进程了（因为运行起来了）

线程：线程是进程内部的一个部分，进程包含线程

如果把进程想象成一个工厂，那么线程就是工厂里的生产线，一个工厂里面可以有一个生产线，或者也可以有多个生产线

对于Java代码来说，最终都是通过Java进程来跑起来的（此处这个Java进程就是JVM)

---

四、操作系统如何管理进程的？

1、先描述进程（明确出一个进程上面的一些相关属性）-》用C语言中的结构体

     操作系统中描述进程的这个结构体成为“PCB”（process control block）-》PCB就是进       程控制块

2、再组织若干个进程（使用一组数据结构，把很多描述进程的信息给放到一起，方便进行增删改）典型的实现是使用双向链表来把每个进程的PCB给串起来（Linux）

就像学校管理学生一样，先描述一个学生的各个信息（姓名、学号、身份证号……）再通过表格组织起来

---

“创建进程”就是先创建出PCB，然后把PCB加到双向链表中

“销毁进程”就是找到链表上的PCB，并且从链表上删除

“查看任务管理器”就是遍历链表，依次取出链表的每个PCB

---

五、PCB中的一些属性：-》进程的PCB里有啥？

1、pid：就是进程id，类似于进程的身份证号，可以根据pid来识别不同的进程

2、内存指针（操作内存相关属性）：指明了这个进程要执行的代码/指令在内存的哪里，以及这个进程执行中依赖的数据都在哪里

因为当运行一个exe时操作系统就会把这个exe加载到内存中变成进程，此时进程就和这块内存空间相绑定的，此时内存中有很多东西，exe里包含（进程要执行的二进制指令-》通过编译器生成的、一些重要的数据）什么，此时内存中就包含什么，而执行exe会将exe里面的东西分别放在内存的不同区域，因此需要让进程知道当前指令在内存的哪个区域中，要使用的数据又在哪个区域中，通过内存指针就可以找到数据和指令

3、文件描述符表（操作文件相关属性）：这个文件描述符表可以视为一个数组，里面的每个元素是一个结构体，对应一个文件的相关信息。文件描述符表的下标就是文件描述符

因为程序运行过程中，经常要和文件打交道（文件是在硬盘上存储的）进程每次打开一个文件，就会在文件描述符表上多增加一项。

不管你在代码中是否写了打开/操作文件的代码，但只要一个进程一启动，系统都会自动默认打开三个文件-》标准输入（System.in）、标准输出（System.out）、标准错误（System.err）

---

和进程调度相关的属性（用作对并发的一些支持）

状态、优先级、记账信息、上下文

---

补充：

进程调度（关于CPU分配）：其实也就是操作系统在考虑CPU资源如何给各个进程分配，让有限个核心，能够同时执行很多很多个任务

因为现在的操作系统都是“多任务操作系统”，即一个系统在同一时间可以同时执行很多任务（看起来是同时执行的，时则不是，因为CPU的核数是有限的，不可能同时让几十个、上百个 任务同时执行，此时就需要进程调度了）

怎么能够做到进程调度呢？

并行：微观上，两个CPU核心同时执行两个任务的代码

并发：微观上，一个CPU核心，先执行一会儿任务1，在执行一会儿任务2，在执行一会儿任务3……再执行一会儿任务1……只要切换的足够快，就好像这么多任务在同时执行一样

并行和并发只是在微观上有区分，宏观上区分不了，微观上的区分也都是操作系统自行调度的结果

就比如说：6个核心同时跑20个任务，这二十个任务，有些是并行关系，有些是并发关系，可能任务A和任务B一会儿是并行，一会儿是并发

因为在宏观上区分不了并行和并发，通常用并发来代替并行和并发

---

4、状态：描述了当前这个进程接下来应该怎么调度（就相当于一个计划表，就像计划今天和A一起做啥事情，明天和B一起做啥事情……）

就绪状态：随时可以去CPU上执行（可以随叫随到）

阻塞状态/睡眠状态：暂时不可以去CPU上执行（不能随叫随到了），处于这样状态的进程，就暂时不进行调度（就比如说A生病了，就暂时不能陪你玩了，此时就不把A放到你的计划表里了）

当然Linux中的进程状态还有很多其他的

5、优先级：先给谁分配时间，后给谁分配时间，以及给谁分的多，给谁分的少（就比如说我更喜欢和A一起玩，然后才喜欢和B玩，所以在排计划表时先给A排，就比如周一到周五都和A一起玩，再给B排，周六周日再和B一起玩）

6、记账信息：是给进程调度提供指导依据的。统计了每个进程都分别被执行了多久，分别都执行了哪些指令，分别都排队等了多久……总之就是先统计好每个进程所吃的资源，再根据统计结果，对哪些分配特别少的进程再去做些补偿（就比如说长时间给B安排的时间太少了，此时B可能和你的感情就降低了，此时可以通过这个记账信息来适当的调整和B一起的时间，让感情升升温）

7、上下文：就表示了上次进程被调度出CPU的时候，当时程序的执行状态，下次进程上CPU的时候，就可以恢复之前的状态，然后继续向下执行，就相当于存档+读档

进程被调度出CPU之前，要先把CPU中的所有的寄存器中的数据都给保存到内存中（PCB的上下文字段中），相当于存档了，下次进程再被调度上CPU的时候，就可以从刚才的内存中恢复这些数据到寄存器中，相当于读档了

（就比如说A邀请我下个月去度假，让我提前准备一下，B邀请我下周给她外婆过生日，希望我准备下礼物，但是过了几天后A问我准备好了没，防止我记混说成礼物准备好了，这就尴尬了，此时就需要我们将每次见面的重要信息都记录下来，记录下跟A是要准备度假用品，和B是准备生日礼物，记录之后等到见面的时候，就可以继续做上次约定好的事情了，这样每次见面的时候也能对上号，时间长点也无所谓）

---

上面说了CPU的资源是通过进程调度给各个进程分配的，那么内存资源又是如何分配的呢？

六、关于虚拟地址空间（关于解决内存资源分配问题）-》进程独立性是咋回事？

由于操作系统上同时运行着很多个进程，如果某个进程出现了bug，进程崩溃了，是否会影响到其他进程呢？当然不会，因为“进程的独立性”可以保证，而进程的独立性就依仗了“虚拟地址空间”

（就比如说疫情防控，每个小区有一条路通往外面，有一天突然有个人阳性了，这样就会整个小区被隔离，为了防止这种情况，可以在小区里多弄几条路，让每个人一条路，这样每个人都遇不上，这样如果有一个人阳性了，只需要将这一个人隔离起来即可，就不用整个小区一起隔离了）

如果把进程按照虚拟地址空间的方式给划分出了很多份，这个时候不是每一份都只剩一点儿了吗？

虽然你的系统有百八十个进程，但实际上从微观上看，就6个，每个进程能够捞着的内存还是挺多的，另外一方面，也不是所有进程都用那么多的内存的。

---

七、虽然进程之间已经通过虚拟地址空间，已将各自隔离开了，但是实际上进程之间有的时候还是需要交互的,那么如何交互呢？-》进程之间如何通信？

（就比如说A和B是彼此隔离开的，有一天A向B借东西，由于他俩不能接触，此时可以找一个地方，让B先把东西放到那个地方，之后A再去那个地方取，这样二者之间你次之间隔离开了但也交互了）

类似的，两个进程之间也是隔离开的，也是不能直接交互的，操作系统也是提供了类似的“公共空间”进程A就可以把数据放到公共空间上，进程B再取走，这样的话就可以在原有隔离性不被破坏的情况下完成交互，这样的操作称为“进程间通信”

---

操作系统中，提供的“公共空间”有很多种，并且各有特点，有的存储空间大，有的小，有的速度块，有的慢，有的存储空间大，有的小，有的速度块，有的慢，换句话说，操作系统中提供了多种进程间通信机制

现在最主要使用的进程间通信方式：1、文件操作   2、网络操作(socket)