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java EE初阶 — 计算机工作原理

文章目录

  • 1.操作系统
  • 2.操作系统的定位
  • 3.进程
    • 3.1 进程的基本了解
    • 3.2 操作系统内核是如何管理软件资源的
    • 3.3 PCB里描述了进程的哪些特征
      • 3.3.1 三个较为简单的特征
      • 3.3.2 进程的调度属性
  • 4.内存管理

1.操作系统

操作系统是一个搞管理的软件。

  • 对上要给软件提供稳定的运行环境。
  • 对下要管理硬件设备。

计算机操作系统:

  • Windows(最熟悉的)
  • Linux(程序猿必会的),特别适合进行开发和部署
  • Mac(苹果电脑系统)

手机操作系统:

  • Android(本质上也是Linux)
  • IOS(和Mac同宗同源)

2.操作系统的定位


驱动程序、操作系统内核、系统调用加在一起就组成了操作系统。

  1. 硬件设备就是像鼠标。键盘这样看得见,摸得着的。
    比如我们的笔记本打开后盖后,看到的就都是硬件设备

  2. 驱动程序是硬件设备的一种,硬件厂商在开发硬件的同时会提供驱动。
    电脑装了对应的驱动,才能让系统正确的识别硬件设备。

  3. 操作系统内核是操作系统的核心功能,对上,对下进行管理。

  4. 系统调用是操作系统给应用程序提供的 API
    比如:有个程序想操作一下硬件设备,就需要先通过系统调用,把系统命令告诉给系统内核,
    内核调用驱动程序,进一步操作硬件设备。

  5. 应用程序 - 我们学的 java 就是在应用程序这一层。

3.进程

3.1 进程的基本了解

一个跑起来的程序就是进程,如果没有跑起来就不是进程!!!



idea64.exe文件此时还没有运行,它就不是一个进程,但它是一个应用程序

Ctrl + Shift + Esc 启动任务管理器


在任务管理器中看到的就都是进程。

总结就是:跑起来的叫进程,没跑起来的叫应用程序


进程(process) 也叫做任务(task)


每一个进程都对应这一些资源


MB 表示的是ByteMb 表示的是Bit
磁盘和网络组成了IO,衡量IO的时候就会用到带宽这个词表示。

总结

  • 进程是操作系统资源分配的基本单位。


job术语:

job 比进程更加抽象,进程可以说job的一种具体实现,job也不一定全是进程。


句柄(handler)术语:

系统中包含很多的软件资源(进程就是一种软件资源)。
写代码时就需要用到一些软件资源。
软件资源是在操作系统内核里,在应用程序的代码中,不方便直接操作。


句柄就好比一个遥控器。(简单的整数/编号)

通过系统调用借助这个句柄就可以操作软件资源了。
借助遥控器就可以操作电视了。

3.2 操作系统内核是如何管理软件资源的

进程是一个重要的软件资源,是由操作系统内核负责管理的!!!

操作系统是通过 描述 + 组织 来对软件资源进行管理的。


描述:使用结构体(C语言的结构体)来描述进程属性.

用来描述进程的这个结构体 叫做 PCB(进程控制块),并不是硬件的PCB板。


组织:通过多个双向链表来把多个 PCB 给串到一起。(并不是一个单纯的双向链表)

创建进程本质上就是创建了一个 PCB 这样的结构体对象,把它插入到链表中。
销毁进程本质上就是把链表上的 PCB 结点删除了。
任务管理器查看到进程列表,本质上就是遍历这个PCB链表。

3.3 PCB里描述了进程的哪些特征

3.3.1 三个较为简单的特征

1、PID 进程的身份表示符(唯一的数字)



2、内存指针,指向了说自己的内存是哪些。


3、文件描述符,硬盘上的文件等其他资源。

第2点和第3点描述了了进程持有了哪些资源。


资源分配的问题:

硬件资源、内存、硬盘、网卡都好分配,但是 CPU 不好分配。

我们是希望进程可以 “同时运行” “分时复用” 的。
这就提出了并行并发的概念


并行:微观上同一时刻,两个核心上的进程就是同时执行的。


并发:微观上,同一时刻,一个核心只能运行一个进程,但是可以对进程快速的切换。

比如, CPU 这个核心上先运行一下QQ音乐、再运行一下画图板。
只要切换的速度快,还上人感知不到。

就像是电灯闪烁的频率太快了,人眼会觉得电灯是常亮的。


内核负责处理的应用程序,程序猿感知不到。
因此往往把并行和并发统称为并发!!!

3.3.2 进程的调度属性

1、进程的状态(较重要的)

  • 就绪状态:进程随时准备好了去CPU上执行(随叫随到)。
  • 运行状态:进程正在和 CPU 在一起。
  • 阻塞状态:短时间内无法到 CPU 上执行。
    比如说进程正在进行密集的 IO 操作,读写数据。


2、优先级

进程是有优先级的!!!

有的进程先执行,有的进程后执行。操作系统进行调度并不是一碗水端平的

比如,紧急的事情要先去做,不是很着急的事情往后面排排。


3、上下文

操作系统在进行进程切换的时候,就需要把进程执行的 “中间状态” 记录下来,保存好。

下次再执行这个进程的时候,就可以恢复到上次运行的状态,然后继续往下执行。

比如,玩游戏时的 存档 和 读档 。


上下文本质上就是存档的内容。

进程的上下文,就是 CPU 中各个寄存器的值。

寄存器是 CPU 内置的存储数据的模块
保存的就是程序运行过程中的中间结果。

保存上下文,就是把这些 CPU 寄存器的值,记录保存到内存(PCB)中。
恢复上下文,就是把内存中的这些寄存器的值恢复回去。


4、记账信息

操作系统统计每个进程在 CPU 上占用的时间和执行的指令数目。
根据这个来决定下一阶段如何调度。

4.内存管理

内存是一个虚拟的地址空间

程序中所获取到的内存地址,并非是真实的物理内存的地址。
而是经过了一层抽象,虚拟出来的地址。

物理内存地址是什么?

内存就像是我们的宿舍楼一样。

有个大走廊,走廊上有很多房间,每个房间就是一个宿舍。
每个房间还有一个编号,通过编号就可以定位到房间的位置。
房间编号就是“地址”。

内存(物理上是个内存条)可以存很多数据。
内存就可以想象成是一个大走廊,
走廊非常长,有很多房间,每个房间大小1Byte。
每个房间还有个编号,从0开始依次累加。
这个内存编号,就是“地址”。
这个地址也就认为“物理地址”。


内存有一个了不起的特性,随机访问(闪现):

访问内存上的任意地址数据,速度都极快,时间上也差不多。

正是这个特点,造就了数据取下标操作是 O(1)


这就是一个内存条。



程序并不能直接获取到物理内存的地址。


进程1的范围是 0x1010~0x1FFF
进程2的范围是 0x3000~0x8FFF

如果代码不小心出bug了,就可能导致访问的内存越界了。

比如,进程1出现了bug,进程1的指针变量指向了0x3000,这也就造成了进程2页出现bug了。
明明是进程1的bug,却把进程2也搞坏了。


解决办法:

针对进程使用的内存空间,进行 “隔离” ,引入了虚拟地空间!!!

此时代码例不在直接使用真实的物理地址,而是使用虚拟地址。

操作系统专门的硬件设备负责进行虚拟地址到物理地址的转换。


一旦进程1反生bug访问越界了,指针变成了 0x3000
当走到硬件设备时,由于硬件设备只能通过 0x1010 到 0x1FFF 之间的地址。
因此,此时进程1无法通过硬件设备到达物理内存。也就无法导致没有错误的进程2产生bug了。


当执行到操作系统内核发现当前这里的地址超出了进程1的访问范围
此时就会向进程反馈一个错误
(具体来说就是发送一个 SIGN SEGEMENT FAULT 信号,引起进程的崩溃)。


总之就是哪里有bug 哪里崩溃,其他位置不受影响!!!


进行隔离是解决进程之间相互影响的问题,但是又引来了新的问题:

有些时候,进程之间确是是需要一些数据的交互的(相互配合)。

如果完全隔离了就无法实现数据的交互了。

此时可以在隔离性的基础上。开个小口子。
通过这个小口子来实现一个 “公共空间” 借助这个公共空间来进行数据的交互即可。


这里的公共空间的有很多的体现形式,后面会主要提到两种方式:基于文件基于网络

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