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浅谈计算机是如何工作的
2025-06-07 02:15:24
目录
1 冯诺依曼体系结构
2 CPU的核心和频率
3 CPU指令执行的流程
4 操作系统的内核
5 进程的概念
6 进程的管理（PCB,链表）
6.1 进程管理的本质
6.2 PCB概念与内存控制
6.3 进程属性描述
6.4 组织进程
6.5 PCB属性及作用
7 进程的调度
7.1 进程状态
7.2 进程优先级
7.3 进程上下文
7.4 进程的记账信息
7.5 并发执行
7.6 并行执行
1 冯诺依曼体系结构
数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。
2 CPU的核心和频率
在现代的大部分CPU一个核心包括两个逻辑处理器，而一个逻辑处理器则可以运行一个程序。对于程序员来说，可以把代码中的任务拆成多个，使用不同的核心分别执行，也可以叫做“并发编辑”。
CPU的运算速度可以用频率来表示，基准速率可以浅显的理解为一秒内最低的运算次数。
3 CPU指令执行的流程
在双击.exe运行程序之后，系统把该程序加载到内存中，CPU中的一个特殊寄存器（程序计数器）会保存之后决定从哪个内存位置开始执行指令，一般都会从0位置开始经历三个步骤：读指令、解析指令、执行指令。
（1）读指令：程序计算器会从0位置开始读取，每次读取之后++。
（2）解析指令：程序计数器从内存中调取的指令格式为，前四位bite位叫操作码（opcode）负责决定操作，后四个bite位则为操作的地址或者寄存器。
CPU中的运算比较复杂，但运算频率很好的弥补这个缺点。
4 操作系统的内核
（1）管理硬件：管理计算机接入的设备。
（2）提供稳定的运行环境：给每个软件提供稳定的运行环境，不相互干扰。除此之外操作系统会给应用程序提供API来完成不同的功能。在Java代码中如println是Java标准库中提供的函数，JVM中，为了实现println功能就会调用系统提供的API，调用系统API之后程序就会进入内核执行，此时系统就会操作对应的硬件设备。
5 进程的概念
进程的概念顾名思义就是正在运行的程序，运行时exe就会被加载到内存中，并且cpu执行里面的指令，而可执行文件没有运行的时候则储存在硬盘上。
6 进程的管理（PCB,链表）
6.1 进程管理的本质
进程管理是操作系统的核心功能，本质是通过结构化数据描述+高效数据结构实现对程序运行的精准控制。
6.2 PCB概念与内存控制
每个进程在操作系统内核中对应一个进程控制块（Process Control Block，PCB），在 Linux 中具体实现为 task_struct 结构体，PCB 是进程的全息数字档案。
PCB在获取内存时，通过系统内核的 slab分配器预分配内存池
6.3 进程属性描述
进程属性通过 结构体/类 来描述进程属性，在Linux中用进程控制块（PCB）来描述进程属性
6.4 组织进程
通过全局数组/链表存储所有进程的PCB，通过链表来连接，并进行增删改查。我们可以通过红黑树或哈希表来实现遍历功能。
6.5 PCB属性及作用
PCB包括PID、内存指针、文件描述符表等重要属性。PID可以让系统找到对应进程，在同一时间每个程序的PID都不相同且唯一。内存指针主要描述进程依赖的指令和数据都存储在内存的哪个区域，文件描述符表则能看到打开了文件。
7 进程的调度
7.1 进程状态
进程在生命周期中会经历以下三种状态：
• 运行状态：进程正在 CPU 上执行指令
• 就绪状态：进程已准备好运行，但尚未分配到 CPU
• 阻塞状态：进程因等待外部事件（如I/O操作）而暂停运行，无法被调度到CPU
7.2 进程优先级
• 用户设定优先级：允许用户为关键任务分配高优先级
• 系统动态调整：
(1) 防止饥饿机制：若进程等待超过30分钟，系统自动提升优先级 (避免长期无法运行)
(2) 防CPU独占：频繁占用CPU的进程会被暂时降级
饥饿进程：长期因优先级低无法获得CPU资源的进程，动态优先级可缓解此问题
7.3 进程上下文
• 定义：进程切换时需要保存的中间状态信息，包括CPU寄存器值、进程计数器、堆栈指针等。
• 作用：保证进程被重新调度时能从断电处继续执行
• 上下文切换代价：频繁切换会降低效率
7.4 进程的记账信息
记录CPU占用时间，用分析进程行为 (如I/O密集型或计算密集型)。通过历史数据调整优先级。
7.5 并发执行
• 定义：单核CPU通过快速切换运行多个进程，宏观上“看似同时执行”，但是微观上串行。
在某个时刻，CPU运行程序1和程序2并不同时，但是由于CPU运算过快人眼观察不到切换的速度，所以这个现象叫做并发执行。
7.6 并行执行
• 定义：多核CPU中不同核心同时运行多个进程
• 与并发的区别：并发是单核的"伪并行"，并行是多核的"真并行"。
CPU中有多个相不干扰的核心，每个核心之间在微观上可以执行不同的进程