好書一塊兒讀(82)：電腦的原理

總覽

 

電腦看似複雜，其實硬件無非四種：CPU，內存，磁盤，輸入輸出設備，重要性依次遞減。硬件之上，操做系統是一層，應用程序又一層。

 

一通電，CPU就會開始運行，從磁盤中將操做系統讀取到內存中，CPU按時間順序從內存中的操做系統裏，讀取指令執行之。

 

操做系統使CPU迅速地在許多進程中切換，以形成進程們在併發運行的假象。

 

進程的誕生是，將程序從磁盤載入內存，並分配內存空間用於儲存數據，這裝載程序的內存和儲存數據的內存構成了進程的載體，等分配了CPU，進程即開始運行。

 

CPU的分配以優先級和時間片爲準，讓重要程度不一樣的各個進程併發運行。

 

用戶的操做經過輸入設備(或定時器)產生中斷，操做系統的主循環會發現中斷，並分配給適當的響應中斷的程序。

 

程序的執行結果，體如今硬件的變化上，如輸出設備給出畫面或聲音，讓用戶看到或聽到。

 

 

操做系統

 

操做系統位於「底層硬件」和「應用程序」之間，向下管理硬件資源，向上提供高級接口。

 

在CPU的計算能力之上，操做系統提供了調度的能力，來運行進程、顯示圖畫、響應事件。

 

 

進程

 

在物理實現上，每一個進程都是內存中的一個局部，這個局部既放了程序代碼，又提供了儲存狀態的場所。

 

這些局部被CPU輪流訪問，造成併發的假象。這「輪流」並不是讓各進程盲目地平攤CPU時間，而是有主次之分。在CPU的輪流訪問期間，進程也於是在建立、就緒、運行、阻塞、終止這五種狀態間切換。

 

CPU的輪流訪問根據「優先級」和「時間片」，優先級是每一個程序有的一個數字，數字大小關係決定了優先級高低關係，優先級低的進程要把CPU讓給優先級高的，時間片指一小段時間，當一個進程用完一個時間片，CPU就從新選擇下個時間片該運行誰。

 

由於CPU的程序計數器和各類寄存器都只有一份，當CPU切換到另外一個進程時，上一個進程就須要把「我執行到哪了」保存下來，存到本身的「進程上下文」中，下次CPU切換回來時，把狀態裝回給CPU，繼續運行，就好像什麼都沒發生過。

 

在任務管理器裏查看進程列表，咱們最關心的是內存佔用和CPU佔用，正說明了進程是「內存的片斷」與「CPU的分配」的結合體。

 

進程多是無限循環，也可能不是。若是不是，則處理完事務即中止，若是是，則不斷監聽事件以響應。

 

 

內存管理

 

若是內存有限，程序須要的內存超過實際內存，則須要虛擬內存：將磁盤的一部分用做「虛擬內存」，把內存中暫時不執行的程序外放到「虛擬內存」中，騰出來地方來運行須要執行的程序，當外放的程序須要執行時再換回到內存中。

 

分給某個程序的內存局部，在物理上未必是連續的，而是將真實內存分爲固定大小的頁，程序使用其中的若干頁。這樣能更靈活地使用。

 

 

文件

 

只有磁盤能斷電存儲，CPU和內存都不行，並且磁盤存儲空間遠大於CPU和內存，所以所有程序和數據都保存在磁盤上。保存的方式就是文件。

 

文件的本質是磁盤上的局部。磁盤分配方式與內存相似，也是劃分爲若干大小相等的小單元，文件按需使用其中一些小單元。

 

把磁盤看作輸入輸出設備也無妨，畢竟它相對於CPU和內存，是「外人」，內存從磁盤讀，屬於「輸入」，內存向磁盤寫，屬於「輸出」。

 

反過來，把輸入輸出設備，看作文件，也無妨，反正內存都是要向它們讀和寫的，只是看待它們的視角的差異。

 

 

輸入輸出設備

 

電腦想有用，就要跟用戶有交互，跟用戶的交互，全靠輸入輸出設備。用戶給電腦信息，就是輸入，電腦給用戶信息，就是輸出。

 

你對顯示器、鍵盤、鼠標，確定比對CPU、內存、磁盤更熟悉，對吧？由於顯示器它們是「在一線面向用戶」的。

 

 

引伸，像計算機同樣高效地使用大腦

 

人在同一時間只能作一件事，一心多用都是僞併發，切換上下文有成本。

 

應該把多而不重要的知識存到「磁盤」裏，即筆記本、收藏夾等處，待用時方載入「內存」即大腦裏便可，以減輕記憶負擔。

 

最經常使用的知識才有必要記住在「內存」裏，這取用方便，減小每次都從「磁盤」載入的成本，這是緩存的價值所在。

 

 

寫在後面

 

這一個月天天都在讀《30天自制操做系統》，同時使用大學時教材《計算機組成原理》《計算機三級教程PC技術》《現代操做系統》作參考，來進行對計算機底層硬件、操做系統的學習和鞏固。

 

做爲應用程序員，編寫的代碼都處於過高層，以致於以爲技術含量太差，久了對本身就不滿意。一直都想好好複習下基礎，但總因辛苦而堅持不下來。

 

後來終於想明白，基礎的鞏固和複習，應該是一個很是長期的工做，一蹴而就的想法很是不現實。因而決定用四個月時間，分別鞏固計算機組成原理、操做系統、網絡、算法的知識。這第一個月，作的是學習計算機組成原理的工做，還順帶看了操做系統。

 

機箱一拆開，電路板和連線怪複雜神祕的，嚇人，其實那都不重要。最重要的三樣東西，CPU，內存，磁盤，體積都有限，形狀也規整，第四重要的就是機箱外面的顯示器、鍵盤、鼠標這些總稱爲輸入輸出設備的東西了。

 

CPU是「原動力」，就像四驅車上的電機，嗚嗚轉着，很蠢很機械。但能動起來就是萬歲。人們開動腦筋，經過齒輪、皮帶等零件，讓電機旋轉的單調動做轉爲更有意義的動做。對CPU也是同樣，既然它能讀取指令，並忠實地執行之，那就好辦了，只要咱們把指令寫出花來，電腦的功能就會豐富錦簇。就像劉邦和張良，既然張良說什麼劉邦都言聽計從，那雖然劉邦能力有限，但只要張良智計百出，一切就都有可能了。

 

固然，在地位上，張良是劉邦的下級。在計算機體系中，操做系統是硬件的上層，其實計算機體系裏，越上層權限越小，上層能作的，下層全能作，下層能作的，上層能不能作？那要看下層高不高興暴露出調用的接口。因此，最上層的應用程序員，實際上是被勒定在一個很是逼仄侷促的空間裏跳舞，在某個「平臺」之上，利用平臺好心提供的API，來使出渾身解數實現功能。API越簡潔好用，應用程序員越顯得無腦，其實未必是程序員蠢，而是飯已經熟了，再巧的媳婦也只能作作把它盛到碗裏這種沒有技術含量的工做，這跟「巧婦難爲無米之炊」剛好是反的，比如「一鍵刷機」，程序給力到這個程度，只負責按一下按鈕的人，即便有很高水平，也顯不出來了。

 

不過，越上層當然離硬件越遠，但抽象層次越高，離具體業務是越近的。搭積木搭得好，未必就不如造積木造得好那我的光榮。畢竟，用戶要的，仍是一個完成品，好比用戶要一個城堡，那光造出來積木仍是不行，須要有人搭起來。這搭積木，就須要不少造積木的人用不到的知識，例如空間想象力、圖紙繪製能力、讓城堡穩固不倒的力學知識、色彩搭配知識等等。每一個層次，都有每一個層次須要的專業技能，但人的認知老是有侷限的，傾向重視本身的技能，輕視別人的技能，來達到滿意本身、鄙視他人的心理訴求，其實這仍是「成績單的思惟」，是不必的。

 

但有些知識是不管造積木，仍是搭積木的人都須要的，這就是所謂「通用知識」，例如數學知識、英語知識等等，固然計算機基礎知識也是，這樣看來計算機考研的課程都頗有意義，比想象中的合理多了。不過如今學習資源這麼豐富，書籍、視頻、官網等等，即便不考研也能夠自學，差異仍是在肯不願用功上。

 

話題回到劉邦張良，力量固然都在劉邦手上，但由於劉邦對張良言聽計從，張良指哪裏，劉邦的力量就打向哪裏，這跟力量都在張良手上也沒什麼區別了。硬件和操做系統的關係也正像如此，雖然操做系統是「被動的」，只負責定義指令，執行權在CPU手裏，但CPU這麼聽話，當作操做系統實際掌了權也就能夠了：明明只有內存、磁盤的「容器」，卻能無中生有地給抽象出「進程」「地址空間」「文件」這些可用性極強的概念來，操做系統真是把CPU內存和硬盤玩出了花來。

 

不過，同一份操做系統要賣給全世界，全世界各類用戶須要的功能，這操做系統不可能全都包含了，因此操做系統索性也放權，操做系統提供出來API，世界各地程序員能夠利用這API開發本身的程序，操做系統就負責把這些程序載入內存裏做爲進程來跑，當用戶有操做時，操做系統負責把這操做事件交給適當的進程來響應。應用程序員能立足的基本點，其實就是操做系統提供的API們，固然，操做系統提供的API仍是很豐富的，只要用好了各類程序都能開發出來，不然這操做系統也賣不出去呀。

 

對計算機的理解，最終就是到這裏，CPU提供主循環，操做系統在這主循環中運行，提供次級主循環，應用程序的進程又在次級主循環中運行，提供三級主循環，當用戶有操做了，CPU把操做交給操做系統，操做系統再交給應用程序進程，應用程序進程的三級主循環得知了事件的到來，再把它分發給響應事件的函數來處理，這個函數來作具體該作的事，好比把數據寫向某個地方，或者在界面上顯示某些東西，這顯示某些東西，在本質上，其實也是向顯卡內存中寫些東西。

 

計算機組成原理和操做系統的學習，就先到這裏（之後會慢慢修正和補充），下個月來複習數據結構和算法的知識，感受仍是這好玩，我都等不及了，至於計算機網絡，下下個月再學，對這知識實在不很感興趣。那對算法感興趣的朋友，下個月我們再見。