目录

1、CPU

2、指令

3、指令（程序）的执行

4、操作系统

6、进程

7、PCB中的关键要点

8、并发和并行

9、进程调度

1、CPU

1.1、cpu的频率

现代cpu的一个特性，会动态的根据当前的任务量，变更频率。任务量越大，睿频越高，但也是有上限的

Hz表示1s多少次

G相当于10^9，也就是10亿

3.60GHz：一秒钟能够进行36亿次的计算

1.2、cpu核心数

内核分为大核和小核，一个大核有两个逻辑处理器，一个小核有一个逻辑处理器

核心数越多，CPU就越强，工作效率越高

上图是 14核 18线程 的（4个大核，10个小核） 也就是 14个物理核心，18个逻辑核心（能同时处理18个工作）

物理核心：可以理解为真实干活的人 逻辑核心：实际上这些人能同时干几个活

2、指令

1. 指令，即指导CPU进行工作的命令，主要有操作码+被操作数组成

2. 操作码用来表示要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是寄存器编号等。操作码可以类比为函数，操作数类比为函数参数

3. 一条指令 = 4位操作码(opcode) + 4位操作数

op => Operation code => 码

4. 指令本身也是一个数字，用二进制形式保存在内存的某个区域中。

“简化版” 的指令表：（约定为，一条指令是8个bit，1个字节）

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

1. 简单地说，寄存器也是存储数据的模块，是在cpu上的。

2. cpu 存储数据，就是通过寄存器，主要是在cpu执行指令进行各种运算的时候存储临时数据，起到一些辅助效果

3. 一个 cpu 上不止一个寄存器，大概有几十个

cpu的寄存器： 访问速度比内存要快很多 存储空间比内存小很多 成本比内存高很多 掉电之后数据会丢失

工作中可能有这样的一个场景： 生产环境中，服务器有一个严重bug，但是现在服务器还不能重启，如何给一个正在运行的程序进行修复bug？

核心思路：热(不重启)补丁

答： 找到出现bug的代码对应在内存指令中的位置，然后把这个指令修改掉，比如在这里插入一个跳转指令，让程序执行到这个指令的时候跳转到内存中的另外一段（已经修复过bug）的指令进行执行

3、指令（程序）的执行

以这段数据为例：

假设cpu从0号地址开始执行

1. 从0号地址开始执行

1）读取指令（CPU内部有专门的寄存器负责保存读到的指令）

00101110

2）解析指令（对照指令表，理解指令的含义）

把1110地址（对应十进制14）上的数据（00000011），读取到寄存器A中；

3）执行指令

2. CPU默认的就是顺序的执行下一条指令(遇到条件语句，循环语句，函数调用语句除外)

1）读取指令（读取1号地址）

10000100

2）解析指令

3）执行指令

3. CPU继续顺序的执行下一条指令

1）读取指令（读取2号地址）

10000100

2）解析指令

约定 00 是 A 寄存器的编号，01 是 B 寄存器的编号

3）执行指令

0000 0011 + 0000 1110 = 0001 0001（17），放到A中

4. CPU仍然顺序执行下一条指令

1）读取指令（读取3号地址）

0100 1101

2）解析指令

3）执行指令

把A寄存器的数据（0001 0001）写入 1101（13） 位置

5. CPU继续顺序执行下一个指令

0000 0000 遇到这样的值，我们认为程序结束了

上述过程就是3+14的运算过程

4、操作系统

操作系统是一组做计算机资源管理的软件的统称。是计算机中，最重要的“软件“

操作系统是一个搞管理的软件 1. 管理各种硬件设备

操作系统通过驱动程序，间接的管理硬件设备（驱动是和硬件配套的软件）

2. 给各种应用程序，提供一个稳定的运行环境 这些应用程序，在工作过程中是互不干扰的，即使某个应用程序有bug（比如，程序崩溃），不会影响到其他的应用程序运行

电脑上的操作系统：

Windows系列：Windows10/11等

Linux：

1. 后端开发，服务器程序使用的系统，一般都是Linux

2. 嵌入式设备，Linux也是主力系统

嵌入式：还有的设备，路由器，门禁，洗衣机，空调，投影仪等，这些设备，往往功能单一，但上面也搭载了标准的计算机（符合冯诺依曼体系结构），Linux 就是这种设备主流系统

Mac OS：苹果电脑上面的系统

手机上的操作系统：

IOS：苹果手机系统，和 MacOS 不一样 Android：当前手机市场上使用最多的系统

上述系统，彼此之间是不兼容的

6、进程

一个运行起来的程序，就称为进程(process)，是操作系统中的重要概念

现代的计算机同时运行百十来个进程，很常见。但进程多了就容易乱，为了避免乱套，就需要管理，所以操作系统就需要能够很好的管理进程

站在操作系统的视角，如何管理进程？ 1. 先描述进程

使用结构体，描述出进程的核心属性

用于描述进程核心属性的结构体称为进程控制块（PCB）（是个非常大的结构体，有很多属性）

2. 再把多个进程组织起来

比如，Linux这样的操作系统，是使用链表这样的形式（一个或多个链表），把多个PCB串到一起的

进程的相关操作：

1. 创建一个新的进程 创建一个PCB，初始化PCB中的各个属性，把PCB加到链表上 2. 销毁一个进程 把这个进程的PCB在链表上找到，并且从链表上删除掉 3. 查看进程列表 遍历链表，取出链表上的每个元素，把里面的一些关键信息显示到界面上

7、PCB中的关键要点

1. pid（进程id）：进程的身份标识符

区分两个进程是不是同一个，就看 pid 是否相同

进程的 pid 是唯一的。每个进程运行的时候，操作系统都会分配一个唯一的 pid

2. 内存指针（一组指针） 进程需要知道要执行的指令在哪，指令依赖的数据在哪

操作系统加载exe文件的过程：

操作系统，会把exe中的指令和数据，读取出来加载到内存中，后续进程在运行过程中，就会从指令内存区域一条一条的取指令并进行执行

exe文件：可执行文件（保存在硬盘上的一段数据）

1）exe文件运行过程中，要执行的指令(二进制的） exe是程序员写代码生成的，代码最终被编译成二进制指令，包含在 exe 文件中了 2）这些指令运行过程中，依赖的数据

^

通过上述过程可以看出，进程在运行的过程中，需要依赖内存资源，用于存储指令和数据

3. 文件描述符表

1）进程运行过程中，很多时候也需要和硬盘这个硬件设备进行交互

2）硬盘上的数据是以文件的形式来组织的

3）进程在读写文件的时候，需要先"打开文件"，每打开一个文件，就会把这个文件的信息保存到文件描述符表中，表里的每个项，就对应着一个打开了的文件

4）操作系统中，会把很多资源抽象成文件来表示，不一定是硬盘上的资源。例如网卡，操作系统管理网卡的时候，就是当做“文件”一样来管理

通过上述过程可以看出：

1. 进程的运行，也会依赖到硬盘，网卡等相关的资源设备

2. 进程运行，执行指令，都是靠cpu的，进程也需要消耗cpu资源

得出结论：进程是操作系统中，资源分配的基本单位

8、并发和并行

电脑上进程通常有百八十个，但是电脑cpu的逻辑核心数只有18个（我的电脑），如果一个cpu逻辑核心，同一时刻只能执行一个进程的指令，18个逻辑核心，如何同时进行一百多个任务的工作？

早期计算机的操作系统，是“单任务" 操作系统，同一时刻只能运行一个进程。要想运行下一个进程，就得结束上一个进程

后来有了多任务操作系统(在有多核处理器之前，多任务系统就已经有了）即使cpu只有一个核心，也能同时运行多个进程

分时复用：

把一个单位时间分成多份，第一份，运行进程1的指令；第二份，运行进程2的指令……

cpu运行速度足够快，上述的切换过程会非常快，快到超出人类的反应时间，使人看起来感觉好像这些进程在 “同时执行” 一样。但如果运行的任务实在太多了，人也是有可能感知到这个卡顿的过程

在一个CPU核心上，按照分时复用，执行多个进程这样的方式，称为 “并发执行” 看起来是同时执行，在微观上，其实是一个CPU在串行执行，切换速度极快

在多个CPU核心上，同时执行多个进程这样的方式，称为 “并行执行” 一个CPU核心执行一个进程，另一个CPU核心执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行

现代cpu在运行这些进程的时候，并发和并行是同时存在的。程序员在写代码的时候，无法区分当前这些进程是并行执行还是并发执行，所以会把并行和并发，统称为“并发”

9、进程调度

因为需要并发执行，操作系统需要进行进程的快速切换，也就是 “进程调度”，所以 进程调度 是操作系统进行进程管理的过程中，要完成的重要工作

定制时间表，并且按照时间表来执行，就是进程调度的过程

为了支持进程调度，PCB中进一步引入一些属性：

1. 进程状态

进程有很多状态，其中两个最典型的

1）就绪状态

该状态下，进程可以随时到cpu上进行执行

2）阻塞状态

该状态下，进程当前不适合到cpu上执行

2. 进程优先级

这么多进程的在CPU上运行的机会并不是均等的，有些进程，就是要优先级更高一些，吃到更多的cpu资源。

3. 进程的上下文

进程调度的过程中，一个进程执行一会，失去CPU，过了一段时间之后进程还会回到cpu上沿着上次执行到的状态，继续往下执行(而不能是重头执行)。

进程的上下文就是一个进程在执行的时候，CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈上的内容，当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文（存档），以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行。

进程在CPU中运行的过程中，CPU上的各种寄存器不仅存储了当前进程运行的 “中间状态”，还会存储当前这个进程执行到第几条指令了，以及当前进程中“函数调用关系

保存上下文：把CPU中的这些寄存器的值，保存到内存中（PCB的对应属性中)

恢复上下文：把PCB中刚才保存属性，填写回对应的寄存器中

4. 进程的记账信息

统计功能。统计每个进程都在CPU上运行了多久，如果发现某个进程，好久没有吃到cpu资源了，就会给这个进程倾斜一些资源