一個程序在計算機中是如何運行的？超級乾貨！！！

一個程序在計算機中是如何運行的？超級乾貨！！！

強烈聲明：本文很乾，請自備茶水！😎

開門見山，咱不說廢話！

你有沒有想過，你寫的程序，是如何在計算機中運行的嗎？好比咱們搞Java的，確定寫過這段代碼

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!"); 
    }
}
複製代碼

熟悉吧，可能你們都知道，運行輸出「Hello World!」，不過嘞，今天我帶你從內存和CPU的角度去剖析一下這段代碼在計算機中是如何執行的。

Hello World保存在哪？

首先問你個很簡單的問題，當你寫下這段代碼的時候，你把它保存在哪了，假如說你說是桌面，就像如今這樣

是的，一個HelloWorld.java文件就保存在了桌面上，這個叫作Java源文件，不過說是保存在桌面上這個有點模糊，這個桌面又是個啥呢，咱們應該想象它保存在了咱們電腦的哪一個部分呢？一臺計算機包含以下基本五個部分：

1. 運算器
2. 控制器
3. 存儲器
4. 輸入設備
5. 輸出設備

在計算機中啊，保存信息主要靠存儲器，而存儲器又分爲內部存儲器和外部存儲器，內部存儲器就是內存了，而這個外部存儲器主要就是磁盤了，磁盤又分爲硬盤和軟盤，而咱們電腦中的大部分就都是硬盤了，這裏也分爲固態硬盤和傳統機械硬盤。

無論怎麼說吧，磁盤也好內存也罷，就是用來存放數據的，那麼咱們就知道了咱們寫的這個Java源文件應該就是存放在電腦中的磁盤了。

那麼代碼保存到硬盤中以後呢？

今天的主角，CPU和內存

代碼被保存到硬盤以後，接下來就要CPU和內存登場了，提起精神了，超級乾貨來了。

告訴你個祕密，理解CPU和內存是如何在一塊工做的，是每一個學編程必備的基礎中的基礎，反正就是很重要！

咱們在上面提到了硬盤，這裏又說到了CPU和內存，那麼咱們就來看看這三個傢伙

硬盤，內存和CPU

先看一張圖

這張圖大體描述了三者的一個關係，什麼關係嘞，數據讀取的關係，咱們以前不是說咱們寫的代碼保存到了硬盤中了嗎，若是要執行這段代碼的話，須要把這段代碼從硬盤中讀取到內存中，此時的代碼已經變成了二進制文件存儲在內存中，爲了更好的去理解，咱們把上面的代碼再進一步改寫下：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 3;
        sum = a + b;
        System.out.println(sum); 
    }
}
複製代碼

也就是加入了一個基礎的加法運算，此時這段代碼已經變成二進制文件放到了內存中，如今要繼續執行，也就是要執行代碼的加法操做，此時的數據a和b，也就是5和3已是二進制的形式在內存中，如今須要把a和b作加法運算，CPU收到這個指令（將a和b相加），就會去內存中將a和b讀取，而後存放到本身的寄存器中，而後由CPU中的運算器去作加法運算，獲得的結果依然放到寄存器中。

是否是有點懵？啥是寄存器？運算器呢？別急，咱們繼續往下看。

內存是個啥？

這個內存是啥呢？內存條知道吧，咱們電腦中的內存條，它是屬於內部存儲器，主要就是用來存放數據的，也能夠理解爲咱們這裏說的內存，這是實際存在的，咱們能夠看得見的內存條，可是關於數據存儲，怎麼存儲，是否是還有點模糊，那麼咱們抽象點來講，這個內存其實就是一個個的小格子，就像這樣：

這些小格子就是用來存放數據和指令的，並且每一個格子都有本身的編號，這個編號你們也熟悉，就是咱們常常說的內存地址。

另外你須要知道的是，計算機是隻認識0和1的，因此存放在內存中的數據其實都是二進制文件了。

CPU是個重點

其實關於內存，先了解上面那些就足夠了，內容比較多的就是CPU了，想必你們都據說過CPU就至關於人的大腦同樣，對電腦來講，相當重要，因此啊，CPU的結構是真的複雜，怎麼辦？

通常碰到這樣的，咱們就須要有選擇的進行掌握和學習，所以對於CPU，你必須瞭解的兩個東西，一是寄存器，另一個就是運算器，爲啥，這又是啥？

想要搞明白這個問題，我們須要先來看看以下這些知識點。

CPU的特色

首先，這傢伙是真的複雜，除此以外嘞，你還須要知道對於CPU來講，必需要把數據讀取到寄存器中才能作相應的運算，另外CPU的數據讀寫的速度是真的快，內存和硬盤根本無法比，可能你沒啥概念，舉個例子吧

CPU這傢伙執行一條指令大約須要耗時1ns，可是對於內存呢？它去硬盤讀取數據至少8ms，在這段時間內，CPU能夠執行大約800萬條指令，說這個，主要是爲了讓你直觀的感覺到CPU是真的快。

就像《碼農翻身》一書中說的那樣：

CPU的運算速度快的喪心病狂，可是它能作的事情簡單的使人髮指

啥？爲啥作的事情簡單的使人髮指呢？

別看CPU那麼牛，那麼複雜，那麼快，它作的事情真的挺無聊的，總結起來，CPU主要就幹以下四件事情：

一、從內存中讀取數據，而後放到寄存器中

二、把寄存器中的數據寫入到內存

三、進行數學運算和邏輯運算（加減乘除，AND,OR）

四、依據相應的條件進行跳轉，執行其餘指令（一條指令跳轉到另一條指令）

不知道你發現沒，咱們彷佛一直在提寄存器，這又是什麼玩意？這就要看看CPU的構造了

CPU的重點組成部分

咱們上面也說了，CPU的結構真的很複雜，可是咱們須要重點關注以下幾個重要組成部分：

1. 寄存器
2. 運算器

沒錯就是這倆貨，那他們是幹啥的嘞，首先你得知道他們是CPU中的東西，這個寄存器啊，說白了就是存放數據的，是個存儲部件，還記得以前說內存就是一個個的小格子嗎？這個寄存器你就能夠簡單的想成也是小格子，放數據的。

寄存器

寄存器是存儲部件，容量很是有限，能存儲的數據的大小，如今來講通常有兩種，也就是咱們常據說的32位和64位，32位的寄存器就能存儲4個字節的數據，64位的寄存器就能存儲8個字節的數據，另外CPU也分爲32位和64位其實就是由其中的寄存器的位數決定的，可想而知，即便是64位的寄存器也幹不了啥大事啊，因此啊，如今的CPU通常都內置了不少的寄存器，依此來完成比較複雜的操做

運算器

另一個就是運算器了，這個是計算的核心，主要的做用就是用來作加減乘除這些運算的，不過嘞，這裏你須要知道的一點就是，運算器是無法直接操做內存中的數據的，很容易想到，運算器操做的數據是寄存器中存放的數據。

CPU和內存的交互

簡單的瞭解了內存和CPU以後，咱們就能夠來看看程序代碼是如何進一步被執行的，上面提到了，程序代碼被讀取到內存中了，如今要執行這段代碼，那就須要CPU出馬了，首先嘞，CPU會去讀取須要進行操做的數據，對了，繼續看這代碼：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 3;
        sum = a + b;
        System.out.println(sum); 
    }
}
複製代碼

也就是須要讀取數據a和b，那麼讀取到的數據a和b存放在哪了呢？根據咱們上面對CPU簡單的瞭解可知，數據a和b是被放到了CPU中的寄存器中了，看這個圖

在CPU中有兩個比較重要的組件就是運算器和寄存器，寄存器有不少個，再看內存，是一個個的小格子，每一個格子有編號，好比說如今數據a和b分別存放在#1和#2上，而後CPU將他們讀取放在寄存器R1和R2上

這個時候就要計算a和b的和了，而後就輪到運算器出馬了，它會拿到寄存器R1和R2，也就是拿到數據a和b，而後作加法運算

那麼計算以後的結果也就是sum，運算器會再次把它放到寄存器，好比R1中，這個時候以前的數據b就會被覆蓋，如此一來，CPU和內存就一塊兒完成一次加法運算操做。

這裏其實咱們把關注點聚焦到了加法運算操做，實際上，程序代碼被裝載近內存的時候會產生數據和指令兩部分，數據咱們都知道是啥，指令嘞？

其實也好理解，指令就是說明程序該怎麼執行，對於CPU來講就是告訴CPU該作什麼，好比告訴CPU，讀取數據a和b，而後再將他們相加，說白了，CPU是根據指令幹活，指令讓怎麼幹，咱就怎麼幹。

所以，你必須告訴CPU該幹啥，不然，CPU也很懵的呦。

通過上面的簡單介紹，咱們再來看看CPU主要作的四件事情：

一、從內存中讀取數據，而後放到寄存器中

二、把寄存器中的數據寫入到內存

三、進行數學運算和邏輯運算（加減乘除，AND,OR）

四、依據相應的條件進行跳轉，執行其餘指令（一條指令跳轉到另一條指令）

怎麼樣，是否是更加清晰明瞭！

總結一哈

這麼一看，也沒啥難的嗎？總的來講啊，就是咱們寫的程序是放在硬盤中的，在運行的時候纔會被調入到內存中，也就是說內存中的數據是從硬盤來的，而CPU中寄存器的數據又是從內存中裝載進來的，而後CPU會根據相應的指令去操做寄存器中的數據，好比加減乘除什麼的，以此來完成一個程序在計算機中的運行。

一句話總結：

自己程序是在硬盤上，須要把程序加載進內存，而後由CPU去執行

另外對於內存啊，CPU什麼呢還有不少有趣有用的知識，咱們下次再講！

感謝閱讀

你們好，我是ithuangqing，一路走來積累了很多的學習經驗和方法，並且收集了大量的精品學習資源，如今維護了一個公衆號【編碼以外】，寓意就是在編碼以外也要不停的學習，主要分享java技術相關的原創文章，如今主要在寫數據結構與算法，計算機基礎，線程和併發以及虛擬機這塊的原創，另外針對小白還在連載一套《小白的java自學課》，力求通俗易懂，由淺入深。同時我也是個工具控，常常分享一些高效率的黑科技工具及網站。

對了，公衆號還分享了不少個人學習心得，能夠一塊兒探討探討！

關注公衆號，後臺回覆「慶哥」，2019最新java自學資源立馬送上！更多原創精彩盡在【編碼以外】

在這裏插入圖片描述