好书一块儿读(82)：电脑的原理

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电脑看似复杂，其实硬件无非四种：CPU，内存，磁盘，输入输出设备，重要性依次递减。硬件之上，操做系统是一层，应用程序又一层。

 

一通电，CPU就会开始运行，从磁盘中将操做系统读取到内存中，CPU按时间顺序从内存中的操做系统里，读取指令执行之。

 

操做系统使CPU迅速地在许多进程中切换，以形成进程们在并发运行的假象。

 

进程的诞生是，将程序从磁盘载入内存，并分配内存空间用于储存数据，这装载程序的内存和储存数据的内存构成了进程的载体，等分配了CPU，进程即开始运行。

 

CPU的分配以优先级和时间片为准，让重要程度不一样的各个进程并发运行。

 

用户的操做经过输入设备(或定时器)产生中断，操做系统的主循环会发现中断，并分配给适当的响应中断的程序。

 

程序的执行结果，体如今硬件的变化上，如输出设备给出画面或声音，让用户看到或听到。

 

 

操做系统

 

操做系统位于「底层硬件」和「应用程序」之间，向下管理硬件资源，向上提供高级接口。

 

在CPU的计算能力之上，操做系统提供了调度的能力，来运行进程、显示图画、响应事件。

 

 

进程

 

在物理实现上，每一个进程都是内存中的一个局部，这个局部既放了程序代码，又提供了储存状态的场所。

 

这些局部被CPU轮流访问，造成并发的假象。这「轮流」并不是让各进程盲目地平摊CPU时间，而是有主次之分。在CPU的轮流访问期间，进程也于是在建立、就绪、运行、阻塞、终止这五种状态间切换。

 

CPU的轮流访问根据「优先级」和「时间片」，优先级是每一个程序有的一个数字，数字大小关系决定了优先级高低关系，优先级低的进程要把CPU让给优先级高的，时间片指一小段时间，当一个进程用完一个时间片，CPU就从新选择下个时间片该运行谁。

 

由于CPU的程序计数器和各类寄存器都只有一份，当CPU切换到另外一个进程时，上一个进程就须要把「我执行到哪了」保存下来，存到本身的「进程上下文」中，下次CPU切换回来时，把状态装回给CPU，继续运行，就好像什么都没发生过。

 

在任务管理器里查看进程列表，咱们最关心的是内存占用和CPU占用，正说明了进程是「内存的片断」与「CPU的分配」的结合体。

 

进程多是无限循环，也可能不是。若是不是，则处理完事务即中止，若是是，则不断监听事件以响应。

 

 

内存管理

 

若是内存有限，程序须要的内存超过实际内存，则须要虚拟内存：将磁盘的一部分用做「虚拟内存」，把内存中暂时不执行的程序外放到「虚拟内存」中，腾出来地方来运行须要执行的程序，当外放的程序须要执行时再换回到内存中。

 

分给某个程序的内存局部，在物理上未必是连续的，而是将真实内存分为固定大小的页，程序使用其中的若干页。这样能更灵活地使用。

 

 

文件

 

只有磁盘能断电存储，CPU和内存都不行，并且磁盘存储空间远大于CPU和内存，所以所有程序和数据都保存在磁盘上。保存的方式就是文件。

 

文件的本质是磁盘上的局部。磁盘分配方式与内存相似，也是划分为若干大小相等的小单元，文件按需使用其中一些小单元。

 

把磁盘看作输入输出设备也无妨，毕竟它相对于CPU和内存，是「外人」，内存从磁盘读，属于「输入」，内存向磁盘写，属于「输出」。

 

反过来，把输入输出设备，看作文件，也无妨，反正内存都是要向它们读和写的，只是看待它们的视角的差异。

 

 

输入输出设备

 

电脑想有用，就要跟用户有交互，跟用户的交互，全靠输入输出设备。用户给电脑信息，就是输入，电脑给用户信息，就是输出。

 

你对显示器、键盘、鼠标，确定比对CPU、内存、磁盘更熟悉，对吧？由于显示器它们是「在一线面向用户」的。

 

 

引伸，像计算机同样高效地使用大脑

 

人在同一时间只能作一件事，一心多用都是伪并发，切换上下文有成本。

 

应该把多而不重要的知识存到「磁盘」里，即笔记本、收藏夹等处，待用时方载入「内存」即大脑里便可，以减轻记忆负担。

 

最经常使用的知识才有必要记住在「内存」里，这取用方便，减小每次都从「磁盘」载入的成本，这是缓存的价值所在。

 

 

写在后面

 

这一个月天天都在读《30天自制操做系统》，同时使用大学时教材《计算机组成原理》《计算机三级教程PC技术》《现代操做系统》作参考，来进行对计算机底层硬件、操做系统的学习和巩固。

 

做为应用程序员，编写的代码都处于过高层，以致于以为技术含量太差，久了对本身就不满意。一直都想好好复习下基础，但总因辛苦而坚持不下来。

 

后来终于想明白，基础的巩固和复习，应该是一个很是长期的工做，一蹴而就的想法很是不现实。因而决定用四个月时间，分别巩固计算机组成原理、操做系统、网络、算法的知识。这第一个月，作的是学习计算机组成原理的工做，还顺带看了操做系统。

 

机箱一拆开，电路板和连线怪复杂神秘的，吓人，其实那都不重要。最重要的三样东西，CPU，内存，磁盘，体积都有限，形状也规整，第四重要的就是机箱外面的显示器、键盘、鼠标这些总称为输入输出设备的东西了。

 

CPU是「原动力」，就像四驱车上的电机，呜呜转着，很蠢很机械。但能动起来就是万岁。人们开动脑筋，经过齿轮、皮带等零件，让电机旋转的单调动做转为更有意义的动做。对CPU也是同样，既然它能读取指令，并忠实地执行之，那就好办了，只要咱们把指令写出花来，电脑的功能就会丰富锦簇。就像刘邦和张良，既然张良说什么刘邦都言听计从，那虽然刘邦能力有限，但只要张良智计百出，一切就都有可能了。

 

固然，在地位上，张良是刘邦的下级。在计算机体系中，操做系统是硬件的上层，其实计算机体系里，越上层权限越小，上层能作的，下层全能作，下层能作的，上层能不能作？那要看下层高不高兴暴露出调用的接口。因此，最上层的应用程序员，实际上是被勒定在一个很是逼仄局促的空间里跳舞，在某个「平台」之上，利用平台好心提供的API，来使出浑身解数实现功能。API越简洁好用，应用程序员越显得无脑，其实未必是程序员蠢，而是饭已经熟了，再巧的媳妇也只能作作把它盛到碗里这种没有技术含量的工做，这跟「巧妇难为无米之炊」刚好是反的，比如「一键刷机」，程序给力到这个程度，只负责按一下按钮的人，即便有很高水平，也显不出来了。

 

不过，越上层当然离硬件越远，但抽象层次越高，离具体业务是越近的。搭积木搭得好，未必就不如造积木造得好那我的光荣。毕竟，用户要的，仍是一个完成品，好比用户要一个城堡，那光造出来积木仍是不行，须要有人搭起来。这搭积木，就须要不少造积木的人用不到的知识，例如空间想象力、图纸绘制能力、让城堡稳固不倒的力学知识、色彩搭配知识等等。每一个层次，都有每一个层次须要的专业技能，但人的认知老是有局限的，倾向重视本身的技能，轻视别人的技能，来达到满意本身、鄙视他人的心理诉求，其实这仍是「成绩单的思惟」，是不必的。

 

但有些知识是不管造积木，仍是搭积木的人都须要的，这就是所谓「通用知识」，例如数学知识、英语知识等等，固然计算机基础知识也是，这样看来计算机考研的课程都颇有意义，比想象中的合理多了。不过如今学习资源这么丰富，书籍、视频、官网等等，即便不考研也能够自学，差异仍是在肯不愿用功上。

 

话题回到刘邦张良，力量固然都在刘邦手上，但由于刘邦对张良言听计从，张良指哪里，刘邦的力量就打向哪里，这跟力量都在张良手上也没什么区别了。硬件和操做系统的关系也正像如此，虽然操做系统是「被动的」，只负责定义指令，执行权在CPU手里，但CPU这么听话，当作操做系统实际掌了权也就能够了：明明只有内存、磁盘的「容器」，却能无中生有地给抽象出「进程」「地址空间」「文件」这些可用性极强的概念来，操做系统真是把CPU内存和硬盘玩出了花来。

 

不过，同一份操做系统要卖给全世界，全世界各类用户须要的功能，这操做系统不可能全都包含了，因此操做系统索性也放权，操做系统提供出来API，世界各地程序员能够利用这API开发本身的程序，操做系统就负责把这些程序载入内存里做为进程来跑，当用户有操做时，操做系统负责把这操做事件交给适当的进程来响应。应用程序员能立足的基本点，其实就是操做系统提供的API们，固然，操做系统提供的API仍是很丰富的，只要用好了各类程序都能开发出来，不然这操做系统也卖不出去呀。

 

对计算机的理解，最终就是到这里，CPU提供主循环，操做系统在这主循环中运行，提供次级主循环，应用程序的进程又在次级主循环中运行，提供三级主循环，当用户有操做了，CPU把操做交给操做系统，操做系统再交给应用程序进程，应用程序进程的三级主循环得知了事件的到来，再把它分发给响应事件的函数来处理，这个函数来作具体该作的事，好比把数据写向某个地方，或者在界面上显示某些东西，这显示某些东西，在本质上，其实也是向显卡内存中写些东西。

 

计算机组成原理和操做系统的学习，就先到这里（之后会慢慢修正和补充），下个月来复习数据结构和算法的知识，感受仍是这好玩，我都等不及了，至于计算机网络，下下个月再学，对这知识实在不很感兴趣。那对算法感兴趣的朋友，下个月我们再见。