【线程基础】指令与操作系统

一. 指令

我们平时在电脑上进行的操作或者是进行的一些编程，最后怎么转化成机器能够理解的命令呢，答案是将这些操作转化为二进制的指令，由计算机依次执行，这就涉及到了计算机的指令。

举一个最简单的例子，如何在计算机上实现” 3+14 “这样的简单的加法操作。
现在的主流操作系统都是64位的，但是用64位的指令演示较为麻烦且可见性不是很好，因此我们做一个简化的8位的指令用作演示：

1.1 指令

所谓指令，即指导 CPU 进⾏⼯作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成。
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，可以是内存地址，也可以是寄存器编号等。
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。

1.2 指令表

• 寄存器：CPU上的存储单元，存储的数据量较少，但是访问速度极快，比内存访问速度快3-4个数量级。
• RAM：内存；

1.3 "3+14"的计算流程

这是"3+14"转化位指令后的形式：

这里的执行逻辑也很简单，就是顺序执行：

地址	数据	opcode(操作码)	被操作数	指令含义
0	00101110	0010 (LOAD_A)	1110 (14号地址)	将14号地址的数据加载到 A 寄存器中
1	00011111	0001 (LOAD_B)	1111 (15号地址)	将15号地址的数据加载到 B 寄存器中
2	10000100	1000 (ADD)	01 (B寄存器) 00 (A寄存器)	计算A、B寄存器的数据的和，并将结果存入A寄存器
3	01001101	0100 (STORE_A)	1101 (13号地址)	将数据从A寄存器写入RAM的指定地址

也就是说，完成这么一个加法操作需要依次执行：读入数据、加运算、存储数据三步。这对我们理解后续线程安全问题及其重要。

1.4 执行效率

我们前面说到，数据在寄存器上的读取速度是远远快于在内存上的读取速度的。因此，当初设计的每次运算都要去内存上读取数据并不合理。（很大程度上是受限于当年硬件水平较差，将 “执行” 和 “存储” 解耦合有利于降低硬件的设计成本）
实际上为了优化这个执行效率，CPU也设计了很多机制：

1. 缓存
   缓存的作用就是将计算好的数据，不是立马写回内存中，而是暂时写到缓存中，以便于下一次计算（下一次读数据直接在CPU的缓存中读取即可）
2. 流水线
   流水线的作用就是在执行A的过程中，从内存中取指令B，在执行B的过程中，从内存中取指令C…即在等量的时间内进行更多的计算，这样也可以提高计算的效率。

1.5 总结

1. CPU要执行的指令，存储在内存中。（冯诺依曼体系结构的基本设定，让 执行单元 和 存储单元解耦合）
2. CPU想要执行指令，就要先取指令，再解析指令，然后才能执行指令
3. 取指令需要从内存中读取指令到CPU的寄存器中（这个演示中没有体现出存储指令的寄存器，只体现了用于计算数据的寄存器），取指令的操作，相对于CPU执行计算，非常耗时、开销很大。（引入缓存、流水线来优化效率）
4. CPU解析指令用到的指令表，不同架构的CPU的指令表不同(arm,x86)，指令表细节，已经写死到CPU中了，CPU是很容易识别的。
5. 指令在执行过程中，可能带有一些被操作数，不同的指令，操作数的含义和个数并不相同。
6. CPU重要的参数：主频，近似看成1s内，CPU能执行的指令的个数。
   
   比如我的电脑，基准速度（主频）位2.3GHz，即大概1s（准确来说是1个时钟周期）内能执行23亿（ 2.3*(2^30) ）次计算。

二.操作系统

操作系统实质上是一个软件，主要有两方面的职责：

1. 管理各种硬件设备
   比如说我们用的鼠标、键盘有很多种，而无论使用哪种，都不需要进行特殊设置即可使用。此时就由操作系统管理不同的硬件设备，给软件提供统一的api。
2. 给其他软件提供稳定的运行环境
   

主流的操作系统主要有Windows、Linux、MacOs、IOS、Android。

思考一下：Java如何实现跨主机的特性的呢？

Java 程序被编译成字节码，这是一种中间形式的代码。字节码不依赖于特定的硬件和操作系统。不同主机上只要安装了对应的 Java 虚拟机（JVM），就可以运行字节码文件。
而像C/C++这样的语言，会被直接编译成系统能识别的代码，这就决定了C/C++不具有跨平台的能力。

2.1 系统内核

操作系统 = 内核 + 配套的应用程序（操作系统可以分为内核空间（内核态）和用户空间（用户态）。）
我们电脑上的各种运行程序都是运行在用户态的。但是这些程序，有时候需要针对系统提供的软硬件资源进行操作，这些操作，都不是在应用程序直接操作的。而是需要调用系统提供的API，进一步在系统的内核中完成这样的操作。
举一个简单的例子，去银行取钱：

我们去银行取钱，都是到办事窗口，由工作人员完成取钱这个操作。一方面是安全，另一方面是可靠。
同理，将这些针对系统提供的软硬件资源进行的操作交给系统内核来完成，避免由于软件设计的不合理、或者是一些bug将系统给搞坏。

这里所谓的软硬件资源其实也很好理解，比如说键盘、鼠标、显示器等IO设备、内存、硬盘（文件描述符表）、CPU、GPU等等。