学习多线程基础计算机是如何工作的以及操作系统简述

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1 .计算机发展历史

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2.冯诺依曼体系

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CPU 中央处理器：进行算数运算和逻辑判断
存储器：分为外存和内存，用于存储数据（使用二进制方式存储）
输入设备：用户给计算机发号施令的设备
输出设备：计算机给用户汇报结果的设备

输入设备：鼠标键盘

存储器：内存

输出设备：屏幕

对于硬盘来说，可以输入设备，也可以是输出设备

针对存储空间
硬盘 >> 内存 >> CPU
针对数据访问速度
CPU >> 内存 >> 硬盘

3.计算机的祖师爷

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引用自百度百科

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日），美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之一。
冯·诺依曼是罗兰大学数学博士，是现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一，被后人称为“现代计算机之父”、“博弈论之父”。
冯·诺依曼先后执教于柏林大学和汉堡大学，1930年前往美国，后入美国籍。历任普林斯顿大学教授、普林斯顿高等研究院教授，入选美国原子能委员会会员、美国国家科学院院士。
早期以算子理论、共振论、量子理论、集合论等方面的研究闻名，开创了冯·诺依曼代数。冯·诺依曼第二次世界大战期间曾参与曼哈顿计划，为第一颗原子弹的研制作出了贡献。
冯·诺依曼1944年与奥斯卡·摩根斯特恩合著《博弈论与经济行为》，是博弈论学科的奠基性著作。
晚年，冯·诺依曼转向研究自动机理论，著有对人脑和计算机系统进行精确分析的著作《计算机与人脑》（1958年），为研制电子数字计算机提供了基础性的方案。其余主要著作有《量子力学的数学基础》（1926）、《经典力学的算子方法》、《连续几何》（1960）等。

3.CPU基本工作流程

3.1 逻辑门

电子开关 – 机械继电器
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输入输出
TRUE TRUE
FALSE FALSE

3.2 门电路

3.2.1 非门

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输入输出
TRUE FALSE
FALSE TRUE

3.2.2 与门

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输入1 输入2 输出
TRUE TRUE TRUE
TRUE FALSE TRUE
FALSE TRUE TRUE
FALSE FALSE FALSE

3.2.3 异或门

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输入1 输入2 输出
TRUE TRUE FALSE
TRUE FALSE TRUE
FALSE TRUE TRUE
FALSE FALSE FALSE

3.2.3 算术逻辑单 ALU

ALU：计算机中进行算数，逻辑运算的核心部件，是计算机的数学大脑
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计算机里边的加法运算基于逻辑操作实现

4.外存 VS 内存

数据库中：外存更便宜，容量更大，可持久化（断电还保存）

CPU 里边：也有一个寄存器来保存数据，他的执行速度比内存又要快好几个数量级（要执行的指令：包括CPU认识的代码指令和数据）

5.控制单元CU

解 CU 可以驱动 ALU 进行具体的计算工作

总体的看，就是执行进程（运行的程序），是执行程序中的机器码

像Java这种语言，是把Java文件编译为class字节码，在使用 java.exe 类名来运行【Java进程就是这里的java.exe，也就是我们的Java虚拟机】jvm 会把字节码翻译成cpu能认识的机器码

程序：静态的可执行文件

CPU：

1.逻辑操作指令

2.运算指令

3.控制指令--------if根据逻辑运算的结果，执行某个代码，循环语句也是类似

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

6.编程语言

6.1程序

程序 = 指令 + 指令要处理的数据。

java文件运行

编译-------> jvm 翻译为机器码------> cpu执行指令（机器码）

把 Java 这个程序（jvm）加载到内存中，cpu执行jvm的指令

jvm找到类名 .class 文件，加载到内存中（类加载），运行 main 方法

运行 main 方法：运行到这行字节码，由jvm翻译为机器码
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注意：高级语言的一条语句(Statement)往往对应很多条指令(Instruction)才能完成。

7. 操作系统

专门搞管理的软件

7.1 管理：

1.管理下层的硬件设备

2.管理下层任务进程（可以在任务管理器中）
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操作系统是一组做计算机资源管理的软件的统称。目前常见的操作系统有：Windows系列、Unix系列、Linux系列、OSX系列、Android系列、iOS系列、鸿蒙等

进程是系统分配资源的基本单位（最小的单位）

进程启动，需要先创建一个 pcb （进程控制块 Process Control Block）

Process:进程又叫task（任务）

操作系统管理进程：就是在一个数据结构中，存储每个进程的pcb，通过pcb来管理进程 CRUD

创建：数据结构中，新建一个pcb

任务管理器：遍历查看

7.2 PCB

1.pid：操作系统为每个进程分配的一个身份标识，一个系统中的pid是唯一的
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2.内存指针：用于标识进程占用的内存中的位置

3.资源清单

（1）设备资源：如打印机键盘等…

(2）文件资源：通过一个文件描述表，里边记录了可以使用的文件列表（类似数组的结构）

文件描述表：里边存储了文件描述的信息，所在的索引也叫文件描述符

每个程序运行，都会默认打开三个文件描述符，对应 Java中 System.out (标准输出) System.in （标准输入） System.err（错误输出）

7.3 调度信息：

1.一个电脑中，CPU目前都是多核的（把多个cpu通过技术手段打包为一个cpu，就是多核cpu）
2.我们的系统中，运行的进程数量，远远超过了cpu的核心数，原因就是有操作系统调度进程，在cpu上执行指令
3.优先级
4.其他一些调度信息：如进程已经执行/等待了多久，执行那些代码
5.进程上下文：进程再时间片轮转调度的时候，切换出去时的环境（运行的指令行需要的变量等等）为上文，回复执行时的环境为下文。这些信息都需要再切换出去时候保存上文，恢复时，读取之前保存到信息到下文

类似玩游戏，写档（保存）和读档（恢复）

7.4 调度算法

1.先来先服务：根据时间先后顺序进行执行

2.高优先级优先：优先级高的进程优先执行（优先级：pcb中，包含进程优先级的信息这里所指的优先级是 总的优先级 ，可以是进程优先级信息+进程的等待时间）

3.短作业优先：某个作业（一组任务）执行的剩余时间越短，就优先执行。存在缺陷：某些耗时长的任务，就可能没机会执行（也叫做饥饿）

4.抢占式：某个高优先级的进程加入，就可能暂停优先级低的任务，先执行优先级高的

5.非抢占式：某个进程，必须执行完毕，由进程告诉操作系统，我执行完了，可以调度后续的进程。更多的用于一些实时性高的系统

也可能出现进程饥饿的现象，这种一半用于批处理系统中（不关注某个任务是否先执行只关注总的执行效率）

6.时间片轮转调度算法：采取这个算法，我们看起来，整个电脑中，远远超出了cpu核心数的进程，还是同时在执行

操作系统中，使用了一个就绪队列的数据结构：其中就是要存放要运行的进程

每次要使用头节点的进程，来运行一段时间，再放回队尾

一段时间：该进程这次运行的时间片，这个时间片的大小，是由操作系统计算出来

7.5 进程执行表现的特性

并发：一个cpu以时间片轮转调度的方式依次执行多个进程（人肉眼感知是”同时“执行）
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并行：多个cpu在一个时间点上，是同时执行多个进程

多个程序的代码执行，即存在并发，也存在并行

表现特征：单个程序代码的执行顺序，还是顺序的；多个程序的代码之间，就可能是无序的

8. 虚拟地址空间（虚拟内存）

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为什么需要虚拟内存？/ 虚拟内存有什么作用？

1..进程内存独立性：隔离进程间使用的内存，虚拟内存之间。进程不使用公用的物理内存，否则进程1修改某个变量，就会引发进程2整个程序挂掉

扩展内存容量：某个进程如进入阻塞/时间片轮转切换出去，由一些从硬盘中读取到内存的数据，所有进程占用的总的内存大小就可能超过物理内存；采取的方案，就是使用虚拟内存映射到硬盘（使用硬盘容量来作为虚拟内存的一个扩展）

某个进程，在虚拟内存中，占用的空间，是类似一个书籍一样，一页一页的

当某一页映射到物理内存，但是发现没有对应的数据，就会产生一个错误，”缺页式中断“，就会从外设中查找