计算机的一些基础知识

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编程语言

程序

所谓程序，就是 一组指令 以及 这组指令要处理的数据。狭义上来说，程序对我们来说，通常表现为一组文件。

程序 = 指令 + 指令要处理的数据。

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编程语言发展

  1. 机器语言：0、1 二进制构成
  2. 汇编语言：用一些容易理解和记忆的字母 + 单词 代替机器指令
  3. 高级语言：C、C++、Java、Python 等

对比：

  • 汇编语言：代码 --> 指令 -->CPU
  • C ：代码 --> 编译 --> 指令 -->CPU
  • Java：代码 --> --> JVM --> 编译 --> 指令 -->CPU

Java 运行在 JVM 上

JVM 针对不同的操作系统做了不同的实现，对 JAVA 程序员提供了统一的调用方式

操作系统（Operating System）

操作系统是一组管理计算机资源的软件的统称。每台电脑或手机等设备都会装一个操作系统。

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。

操作系统的定位

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操作系统的作用

  1. 对下（硬件）：管理各种计算机设备，比如鼠标、键盘、显示器等可以看到的与计算机连接的任何设备
  2. 对上（软件）：为应用程序提供一个稳定的运行环境
  3. 对于有图形化界面的操作系统：提供良好的人机交互界面
  4. 文件管理

操作系统是如何管理运行中的程序？

程序安装后，在系统中是静态文件。

双击之后，从磁盘加载到内存，系统会创建一个与程序的进程，这时程序就运行起来了。

每一个运行的程序在操作系统中都对应着一个进程。

进程分为：用户执行的进程、前台进程、系统创建的进程、后台进程

进程

什么是进程/任务（Process/Task）

每个应用程序运行于现代操作系统之上时，操作系统会提供一种抽象，好像系统上只有这个程序在运行，所有的硬件资源都被这个程序在使用。这种假象是通过抽象了一个进程的概念来完成的，进程可以说是计算机科学中最重要和最成功的概念之一。

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象，换言之，可以把进程看做程序的一次运行过程；

在操作系统内部，进程是操作系统进行资源分配的基本单位。

先描述，再组织进程

描述进程

进程控制块（PCB Process Control Block）

计算机内部要管理任何现实事物，都需要将其抽象成一组有关联的、互为一体的数据。在 Java 语言中，我们可以通过类/对象来描述这一特征。

每一个 PCB 对象，就代表着一个实实在在运行着的程序，也就是进程。

操作系统再通过数据结构，例如线性表、搜索树等将 PCB 对象组织起来，方便管理时进行增删查改的操作。

PCB 描述的 7 个属性：
  1. 进程控制符（ PID Process Identifier）

也称为进程标识符，是各进程的身份标识。

程序一运行，系统就会自动分配给进程一个独一无二的PID。

进程中止后PID被系统回收，可能会被继续分配给新运行的程序。

  1. 内存指针

当程序运行时，操作系统先从磁盘加载程序文件到内存中，在程序运行之前，要在内存中分配一片有效的空间。在内存中的数据和指令，最终被 CPU 读取和执行。

  1. 文件描述符表

当程序运行之后，需要访问一些文件资源，这时操作系统就负责给程序分配这些资源。

程序所需要的每个文件，称为文件描述符；多个文件描述符 合在一起，就组成了文件描述符表，类似于一个集合。

在 Linux 中的所有计算机设备（网卡、硬盘、磁盘、外接设备），都用文件的方式去描述。

默认每个程序运行时，都会被分配 3 个文件描述符：

- 标准输入：System.in
- 标准输出：System.out
- 标准错误：System.error

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电脑上有百十个进程，但是只有 16 个逻辑处理器，即只可以同时处理 16 条指令

一个逻辑处理器，并不是一次就把一个进程执行完，而是一个进程执行一会儿就休息一会儿，再去执行另一个进程，不停的轮换执行。

由于 CPU 的频率很高，轮换的速度也很快，人察觉不到。

【并发编程】
  1. 并发：在单个处理器上不停地轮换执行指令

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  1. “并行”：在多个处理器上，可以同时执行不同的指令

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并行可以说是真正意义上的同时执行。

  1. 进程状态
  • 运行状态：当前在 CPU 上正在执行指令
  • 就绪状态：排队中，随叫随到，随时可以在 CPU 上运行
  • 在 CPU 中，一般不区分运行状态和就绪状态，一般统称为就绪状态。
  • 阻塞状态：当前进程不适合在 CPU 上执行。

  1. 进程优先级

哪个进程有更的大机会去 CPU 上运行，它的优先级就越高。

  1. 进程的上下文

进程调度的过程中，进程一会儿失去了 CPU，一会儿又回到 CPU 上继续执行；当回到 CPU 之时，要沿着上次的状态继续执行，而不是从头开始

  • 失去 CPU 时，进程的中间值：从寄存器保存到内存中（存档）
  • 回到 CPU 时，进程的中间值：从内存中读回到寄存器中（读档）
  • 进程的中间值存储：当前执行的指令、下一条指令、中间产生的一些变量
  1. 进程的记账信息

统计功能：统计每个进程在 CPU 上运行了多久，哪些进程很长时间没有在 CPU 上运行了。

进程的组织方式

通过一个双向链表组织 PCB

  1. 创建一个进程，就是把 PCB 加入到链表中
  2. 销毁一个进程，就是把 PCB 从链表中删除
  3. 查看所有的进程，就是遍历双向链表

内存分配⸺内存管理（Memory Manage）

程序运行时会分配内存空间。

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操作系统为了防止野指针，使用了虚拟内存来规避上述现象。

通过使用内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）的方式来实现：
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进程间通信(Inter Process Communication，IPC)

进程是操作系统进行资源分配的最小单位，这意味着各个进程互相之间是无法感受到对方存在的，这就是操作系统抽象出进程这一概念的初衷，这样便带来了进程之间互相具备**“隔离性（Isolation）”**。

但现代的应用，要完成一个复杂的业务需求，往往无法通过一个进程独立完成，总是需要进程和进程进行配合地达到应用的目的，如此，进程之间就需要有进行“信息交换”的需求。

进程间通信的需求就应运而生。

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目前，主流操作系统提供的进程通信机制有如下：

  1. 管道
  2. 共享内存
  3. 文件
  4. 网络
  5. 信号量
  6. 信号

其中，网络是一种相对特殊的 IPC 机制，它除了支持同主机两个进程间通信，还支持同一网络内部非同一主机上的进程间进行通信。

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