任何事物的发展都是从需求开始的，那么计算机的出现是为什么呢？让我们先通过计算机发展史，认识一下计算机。

计算机发展史

弹道导弹，国之重器。这对国家的军事是非常重要的。

计算机最初就是用于计算弹道导弹的轨迹。

专用计算机

埃尼阿克，1946年诞生于美国普林斯顿大学，本身就是用于计算弹道轨迹的，计算速度（CPU主频）：5000hz，重达几十吨，占地位置非常大。

通用型计算机

图灵提出愿景，冯诺依曼设计实现。

冯诺伊曼体系，由冯诺依曼提出：

CPU：计算机最核心部分，进行算数运算和逻辑判断。

输入设备：把数据交给计算机，比如：键盘、鼠标、麦克风、摄像头。

输出设备：不数据输出为其他东西，比如：显示器、音箱。

有的设备既可以输入也可以输出：比如触摸屏、网卡。

显卡（GPU）：显卡的定位和CPU类似，CPU通用计算芯片，GPU专用计算芯片，CPU什么都能算，GPU只能算一种。

CPU简单工作原理

cpu使用逻辑门-门电路的原理。输入的是1或0的比特位，借助于这些门电路，计算出“与、或、非”的值。

门电路分为：与门、或门、非门、异或门（通过前面那些门电路组合而成，相同为0，相异为1）。

这些门电路，借助于二极管等设备的特殊物理特性。

基于这些门电路，组合成半加器（两个比特位相加）和全加器（3个比特位相加）。

进一步构造出加法器（两个二进制数字相加，算加法、减法、乘法【连续相减】、除法【连续相加】）。

编程语言

计算机比较“笨”，他不会像人一样理解语言，所以就有了编程语言。

世界上编程语言种类繁多，分为三个类：

1.机器语言

二进制（01）构成的指令，计算机认识。

厂商设计CPU的时候就会设计好“指令集”，CPU都理解哪些指令，以及这些指令要怎么工作。（类似CPU向我们提供了API）。

2.汇编语言

人类不太容易理解机器语言，于是，基于机器语言的基础上，出现了汇编语言。

通过简单的单词作为“助记符”，代替二进制指令。

每一个机器指令，对应到一条汇编语句。

备注：

不同的CPU有不同的体系架构，支持的指令集不一样。即使是同类架构，不同的版本，指令集也是不一样的，导致了汇编语言会不一样。如果读者学习汇编语言的话，一定要明确学习的是针对哪个系列的CPU！

3.高级语言

高级语言是基于汇编语言更高一级的封装，更接近于人类的语言和逻辑，具有可读性（这里是笔者的理解）。

比如我们常见的：C语言、C++、C#、Java等...

操作系统

操作系统是一个用来管理的软件，用于软件、硬件、用户三者的交互：

1.对下，要管理硬件设备。

2.对上，要给软件提供稳定的运行环境。

常用操作系统

Windows：98、2000、XP、vista、win7、win10、win11...

Linux（特别适合于开发和部署）：服务器、嵌入式设备（冰箱，洗衣机，投影仪之类）、移动端设备...

Mac：苹果电脑用的系统（和Linux系统表兄弟）。

Android：本质上也是Linux。

IOS：和Mac同宗同源。

操作系统定位

硬件设备：电脑后盖打开，看到的就都是硬件设备。

驱动程序：硬件设备种类非常多，厂商在开发硬件的时候会提供驱动，安装驱动后系统才能正确识别硬件。

操作系统内核：操作系统的核心功能。

系统调用：操作系统给应用程序提供的API。比如：一个程序需要操作硬件，需要通过系统调用，把操作命令告诉系统内核，内核调用驱动程序，进一步操作硬件。

应用程序：比如我们使用Java写的程序。

进程

什么是进程？

一个跑起来（运行中）的程序，就是一个进程。进程（process）也叫做任务（task）。

没有运行的，不是进程！

进程（process）也叫做任务（task）。

job这个术语比进程更抽象，process是解释job的一种具体实现，job不一定是process。

每一个进程都对应一些资源。进程是操作系统分配资源的基本单位。

总结：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。

什么是句柄？

句柄是另一个术语handler，系统包含很多的软件资源（进程就是一种软件资源）。而这种软件资源是在操作系统内核中，代码不方便调用，这时我们就使用到了句柄（简单的整数/编号），它起到遥控器的作用，帮助代码调用软件资源。

如何描述和组织进程？

描述：使用一个结构体（c语言的结构体）来描述进程属性（操作系统基本都为c语言或者c++）

用来描述进程的结构体，叫做PCB（进程控制块），这是一个结构体，不是“PCB板”。

组织：通过双向链表，把多个PCB串到一起。

创建一个进程，本质上就是创建一个PCB这样的结构体对象，把它插入到链表中。

销毁一个进程，本质上就是把链表的PCB节点删除掉。

任务管理器查看到进程列表，本质上就是遍历链表。

PCB里面有哪些描述了进程的特征？

1.pid：进程的身份标识（唯一数字）。

2.内存指针：指向自己持有的内存资源。

3.文件描述符表：硬盘上的文件等其他资源。

内存指针和文件描述符表描述了进程持有哪些硬件资源。

4.进程调度相关属性：

（1）进程的状态

就绪状态：随叫随到，进程准备好了随时去CPU执行。

运行状态：正在CPU执行的。很多操作系统不会明确区分就绪与运行。

阻塞状态：短时间无法到CPU执行。比如进程在执行密集的IO操作，读写数据。

（2）进程的优先级

比如给排工作量，先给谁排，后给谁排，给谁排多点，给谁排少点。

进程也是有优先级，操作系统并不是一碗水端平。

（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”进行记录，下次这个进程再次上CPU运行的时候就可以恢复上次记录的状态，继续执行。就好像游戏“存档，读档”。

进程的上下文就是CPU中的各个寄存器的值，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CPU各个寄存器的值，记录保存到内存中。

恢复上下文，就是把内存中寄存器值恢复回去。

（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，根据这个来决定下一阶段怎么样调度。

CPU的“分时复用”

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，但能对进程进行快速的切换。宏观上人感知不到，就好像许多进程同时进行。

内核负责处理并行和并发，程序员感知不到，所以把并行和并发统称为并发。

内存管理

内存是个啥东西？

类似于excel表格，每一个表格都有编号可以确认位置。

内存（物理上是一个内存条）可以存很多数据。“表格的编号”就是“内存地址”，这个地址也被称为“物理地址”。

内存条上面，有“内存颗粒”，内部的结构，也是一系列门电路，构成了很多的数据存储单元。

内存特性

随机访问，访问内存上的任意地址的数据，速度都极快，时间上都差不多。正是这个特点，造就了数组取下标操作是O(1)。

虚拟地址空间

程序中获取到的内存地址，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。由操作系统和专门的硬件设备（MMU 很多时候集成在CPU）进行虚拟地址到物理地址的转换。

进程访问内存越界的时候，操作系统发现无法将虚拟地址转换为物理地址，就会和进程反馈错误（具体来说就是发送一个SIGN SEGEMENT FAULT的信号，引起进程崩溃）。哪个进程出BUG，哪个进程崩溃，都不会对其他进程有影响。

操作系统为我们提供了一些特殊的系统调用，就可以手动操作另一个进程的内存数据了。

解决进程之间相互影响的问题

虽然进程隔离了，但是又引入了新问题。

有些时候进程之间需要进行数据的交互。（相互配合）

在隔离性的基础上，开个口子。进程间通信，有很多方式，核心思路都是创建一个多个进程都能访问到的“公共空间”，基于这个“公共空间”来进行交互数据即可。

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