JavaEE基础，计算机是如何工作的

前言❤️❤️

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前端和后端是数字产品的 "前台" 和 "后台"，分工明确但协同工作。前端像餐厅的服务员和用餐区（直接对接顾客，提供体验），后端像厨房和仓库（负责准备食物、存储食材，具体的处理逻辑用户看不见）

后端开发工程师，主要就是通过Java语言来对服务器进行开发（也可以选择Phython，C++，Go，PHP等语言，只是Java是比较主流的）
在JavaEE初阶，就是打基础，做网站

这篇博客会从计算机组成，cpu指令的执行，操作系统等部分的基础知识开始，来入门JavaEE
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🎆铁汁们对于JavaEE的各种常用核心语法，都可以在上面的前端专栏学习，专栏正在持续更新中🏀，有问题可以写在评论区或者私信我哦~

1，计算机组成

这部分知识就类似于学校的"计算机导论"的课程，这里会更多列出工作中实用的部分：
下面就是台式机的主要组成部分：

主板：是一个大插座，上面有很多的插孔，用于安装计算机的各种配件

CPU：中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU），它是计算机最核心的一个部件，CPU很小，但是作用很大，整个计算机的算术运算/逻辑判断，全靠CPU

内存：内存是储存在内存条中的，主板上有内存条对应插入的位置，装机时就要插入，买电脑时，说的16G + 1TB，这个16G就是内存，1TB就是硬盘存储（外存），内存存储速度快，是硬盘存储的一百多倍，价格也贵，相对来说数据存储量也很小

而且，内存中的数据计算机断电后就会丢失

硬盘：硬盘比较大，不直接放在主板，而是放在机箱里，通过线缆跟主板相连接，硬盘价格便宜，存储速度相对慢，断电后数据也不会丢失，但凡是重启电脑后还存在的数据，基本上都是储存在硬盘上的，例如数据库中的数据表就是储存在硬盘上的

GPU：图形处理器（Graphics Processing Unit，简称GPU），也称为显卡，就是用来处理图形，进行显示

CPU（中央处理器）也可以当作显卡来使用，（更准确的说法是即在 CPU 芯片内部整合独立的 GPU 模块）
在大部分轻薄本中，就是把GPU和CPU挤在了一块，也称为核显 ，这样完全可以满足日常办公和一些不太吃配置的游戏（例如LOL），也比较省电，另外轻薄本的价格也低，但是就是玩不了大型3A游戏

而像游戏本，都安装有独立的GPU，这就称为独显，游戏本性能比较强，但是续航不高，另外价格也相对较高

其实，计算机是一个很广义的概念，像洗衣机，投影仪，电视，广义上都可以理解为计算机
冯诺依曼就提出了"冯诺依曼体系结构"，描述了一个计算机的组成，冯诺依曼大佬主导了IAS 计算机（又称 "冯・诺依曼机"）的设计与建造，IAS 计算机的诞生，标志着计算机从 "专用计算器" 向 "通用智能工具" 的质的飞跃

还有个大佬，叫图灵，冯诺依曼是计算机实践上的大佬，图灵是人工智能与计算机科学的 "理论奠基人"，他提出的测试规则至今仍是判断人工智能 "类人程度" 的重要标准之一。

冯诺依曼体系结构（描述计算机的组成）：

1. CPU
2. 存储器（内存 + 外存）
3. 输入设备 （键盘，鼠标）
4. 输出设备 （显示器，音响）

像显卡，散热器，机箱，电源这些都是后来演化出来的

另外，需要注意的是，一个设备可能即是输入设备，也是输出设备，例如触摸屏，网卡（如下图）等

CPU其实是很复杂的一个东西，可以说是人类科技的巅峰，现在能造CPU的主要有intel，AMD，高通，苹果，英伟达
中国的CPU就是华为麒麟系列，但是跟外国的科技还是差上几年的，现在华为旗舰机搭载了鸿蒙6.0系统，芯片与系统结合，流畅度还是很高的
对于GPU(显卡)，英伟达（NVIDIA）是全球市场的绝对领导者，例如笔记本和台式机中的 RTX 4060 显卡核心芯片由英伟达（NVIDIA）独家设计并主导生产

由于美国对中国的制裁，4090这种顶级显卡对中国禁售，在中国是买不到4090满血版显卡的，只能买到4090D阉割版

接下来就是跟编程相关的部分：

在任务管理器中看下CPU，在CPU中主要看两个参数，速度和核心数（如下图）

这里的速度是4.79GHz，1Hz代表每秒计算一次，1G = 1 * 10^9 (10亿)

因此，这个CPU现在的速度是每秒进行47.9亿次运算
接着是核心数，20年前的CPU，只有一个核心（相当于只有一个人在干活）

那如何升级CPU呢，可能首先想到的就是提升核心频率

CPU里面包含了很多非常小的运算单元
运算单元越多，频率越高

但是一个CPU的大小是固定的，想要塞进去更多的运算单元，就要让单元变小，但是单元本来就很小了，总不可能让它无限小，因此，cpu的频率，已经很多年没有大幅提升
频率不好提升，就开始提升核心数量，intel在2005年就搞出了奔腾双核处理器

后来，又提出了一个理念，就是能不能让一个CPU核心，同时打两份工（一个顶俩）
于是，intel又提出了超线程技术，一个物理核心（真实运算单元），可以顶两个逻辑核心（虚拟运算单元）使用

像博主的电脑，有20个物理核心，28个逻辑核心，就有8个物理核心使用了超线程技术，一个顶俩，剩下的12个物理核心一个顶一个

2，cpu指令的执行

在学C语言时，我们学习到编程语言分为三个大类：

• 机器语言：二进制的0101，不同的二进制组合表示不同的含义（在上古时期程序员写代码，用的就是这个）

• 汇编语言：把一些固定组合的0101，转化成简单的英语单词

• 高级语言（C，Java）：对汇编语言的进一步封装，可以通过一些更具有描述性的语句，对应到一组汇编代码

• C语言是先编译生成汇编语言，再把汇编语言转为机器语言

  Java是先生成字节码文件(.class)，接着JVM将其转成机器语言
  接下来就进入一个比较难的部分，CPU指令的执行：

  这里虚构一个CPU指令表，用于进行演示，真实的 CPU 指令集是比这个要复杂得多的

  

  表中的RAM就是Random Access Memory（随机存取存储器）的简写，也就是我们常说的内存
  这个表中有个寄存器的概念，寄存器就是存储数据的硬件设备（跟计算机的硬盘外存，还有内存类似）
  寄存器是cpu上的一个部分，一个cpu上通常用几十个寄存器，都不到1kb，寄存器的作用就是去临时的存储一些数据，也就是保存一些中间结果，辅助cpu的计算

  就比如要算1 + 2 + 3，cpu就需要先计算 1 + 2，把1 + 2的结果3保存在寄存器中，再计算 3 + 3，程序员在写代码的时候，通常是无法直接访问到寄存器的

  寄存器就具有以下的特点：

  1. 访问速度极快（大概是内存访问速度的100倍）
  2. 存储空间小
  3. 成本高
  4. 断电后数据丢失

  关于寄存器，内存，硬盘，可以这样来比喻，就好比火车入站要刷身份证

  硬盘 => 把身份证放在行李箱中

  内存 => 把身份证放在口袋里

  寄存器 => 把身份证拿在手上
  例如加载一个程序，这个程序原来是存储在硬盘上的，接着启动后再将程序加载到内存中，再按需加载到寄存器中让cpu执行时取用

  一条指令占8个bit位，就比如下面这样：

  

  前面提到，程序运行要先加载到内存中去，下面是一个程序内存空间的示意图：

  数据部分每个格子是1个字节，8个比特位，内存是以字节为单位组织的

  下面就根据这个程序内存空间图，来看下这个程序的执行过程：

  

  1.程序是从0号地址从上往下执行的，就好比程序运行的入口（main函数，main方法）

  首先是读取指令，CPU从内存中读取到一条指令的内容，读取到指令后就根据指令表来解析指令

  这里读取到的指令是 0010 1110 （前四位是操作码，后四位是操作数）
  在前面的指令表中查下操作码，0010就代表加载后面指定内存地址的数据到寄存器A中，1110转化为二进制就是14，也就是加载14号内存中的数据到寄存器A中

  这里14号内存中存储的数据是0000 0011，十进制就是3

  这条指令执行结果就是把3存到寄存器A中
  可能有的铁汁有点奇怪，会说：这个内存表你前面说是存储操作码 + 操作数据地址，怎么这会又变成存储纯数据了呢⁉️
  其实内存表是可以混合存储指令和数据，具体当成操作码 + 地址还是纯数据取决于cpu对操作码的识别

  注：在将二进制转为十进制时，千万不要手算（除非是学校考试要求手算），直接打开计算器，选择程序员计算器，HEX（十六进制），DEC（十进制），OCT（八进制），BIN（二进制）,如下图所示

  

  2.接着进入地址1，读取指令 0001 1111，对照下指令表，0001的意思就是加载指定地址里的数据到B寄存器中，这里加载的1111地址，十进制就是15
  也就是加载15号内存中的数据（二进制为1110，转为十进制就是14）到B寄存器中
  寄存器中的存储如下图：

  

  3，进入地址2，读取指令1000 0100，1000就是计算两个指定寄存器的和，并将结果放入第二个寄存器中，后面01和00就是两个寄存器的编号，这里就把01当作B寄存器，00当作A寄存器

  执行的结果就是将A寄存器和B寄存器的结果相加，和存到A寄存器中
  执行完后寄存器存储如下图：

  

  4.进入地址3，读取指令0100 1101，0100的意思就是将数据从A寄存器写到指定的内存地址，后面的内存地址1101，十进制就是13
  这个指令就是将A寄存器中的数据（17）写到13号内存中

  5.接着进入地址4，发现里面是0000 0000 这时候这个程序就运行结束了
  那这个程序具体要实现的就是计算 3 + 14的值， 1 - 4步每步可以分为三个具体过程：取指令、解析指令、执行指令

  也就是说进行这样一个简单的计算，就要经过12个步骤
  但是别忘了，前面我们提到了CPU能一秒进行四十多亿次运算，因此执行的时间几乎可以忽略不计🐵

  小结：

  1. CPU 执行程序，需要从内存中加载指令
  2. 针对每个指令，都分成 取指令，解析指令，执行指令 三个环节
  3. CPU 使用一些数据进行计算的时候，都是需要把内存的数据加载到寄存器中，才能运算.
  4. 经过运算得到的结果，还要从寄存器中再写回到内存中去
  5. cpu会根据指令，跟内存或者其他硬件配合工作
  6. 我们平常写代码时，都会被编译器转化为指令，供cpu执行
  7. 上述过程是很简化的版本，真实的cpu执行指令时是很复杂的，会又一系列的优化手段来提高执行效率

  3，操作系统

  刚刚在计算机硬件层面主要关注的是cpu，内存这些东西

  操作系统就相当于是计算机中最关键的一个软件，提到这个，铁汁们最先想起的可能是Windows操作系统，除了Windows，还有很多其他著名的操作系统，如下所示：

  Linux 操作系统

  大部分计算机专业的铁汁都会学习这门课程，Windows操作系统主要是图形化界面（通过点鼠标来进行操作），Linux也有图形化页面，但使用时更多都是直接使用命令行进行操作的

  Linux系统主要在下面三个地方使用：

• 服务器，服务器的操作系统，90%以上都是Linux

• 嵌入式设备，像冰箱，洗衣机，空调这些，都内置的计算机，而且计算机的配置也比较低低的（成本低），内存可能只有几十MB，CPU频率也很低，因为本身也不需要进行什么特别复杂度运算
  那在这些设备的计算机上，Windows对于硬件的要求比较高，而Linux对于硬件的要求就很低，因此这些设备基本上装的都是Linux操作系统

• Linux桌面版，steamdeck掌机用的就是Linux系统（如下图）
  我们的计算机上也可以不装Windows系统，装Linux系统，但是Linux系统桌面版是远远落后于Windows的，而且会有各种bug，因此敢直接给电脑装Linux系统无异于在重庆买手动挡汽车😅，绝对是大佬

• 

  MAC OS 系统

  苹果电脑装的操作系统

  IOS

  苹果手机的操作系统

  Android

  是消费级第一大操作系统，大部分国产手机，装的都是Android系统（也就是我们常说的安卓系统），安卓系统也是基于Linux发展过来的（Android的内核就是Linux）
  大部分国产手机厂商都是在安卓操作系统基础上加了点自己的特色，就类似于游戏中的皮肤

  鸿蒙

  鸿蒙是华为为了对抗美国制裁而自主研发的操作系统，这些年的发展还是很快的，在一些部分已经领先于安卓了👍🐵

  

  结语💕💕

  这里的重点部分就是cpu指令的执行（可能第一次看会觉得有点抽象😅）这部分是学习JavaEE的入门知识，其他部分铁汁们可以当作知识补充去看

  恭喜大家学习完了了JavaSE，开始更深程度的探索Java💪🐵
  以上就是今天的所有内容啦～完结撒花～🥳🎉🎉