课前导读：

本篇是关于计算机工作原理和多线程编程的解读，主要包括计算机发展背景、图灵大佬生平、冯诺依曼体系结构、cpu与Gpu、电路门、CPU具体的特点、编程语言、Java的前世今生、操作系统、进程的概念、内存管理、进程间通信、线程与进程的区别、线程代码的实现等

课前导读：

一、计算机发展史

1、简介

2、冯诺依曼体系结构

3、门电路

4、编程语言

二、操作系统

1、简介

2、操作系统的定位

3、进程

4、内存管理

4、进程间通信

三、进程和线程

四、线程的代码(Thread)

总结

一、计算机发展史

1、简介

世界上很多的高科技发明，主要是为了军事用途，计算机刚开始研发出来是为了计算弹道导弹的轨迹，国之重器，非常重要，两弹一星（氢弹、原子弹、卫星），但是计算过程非常复杂，计算量非常大，一开始用算盘来计算，但是算的又慢又不准，所以有了计算机的研发。

于是产生了世界上第一台计算机：埃尼阿克，诞生于1946年，在美国普林斯顿大学，运算速度(cpu主频) 5000hz(每秒5000次)，重达几十吨，占地面积好几个房间。后来有了通用性计算机，愿景是由英国的图灵大佬提出，后面由美国的冯诺依曼设计实现。

图灵大佬在英国和德国的战争(诺曼底登陆)中破译了德军的engima加密，贡献卓著，但战后却遭受到了政府的迫害，就因为他是个男同(弯的)，是宗教所不能容忍的，政府对他进行了化学阉割，最后图灵大佬郁郁而终，享年41岁。后在2013年，英国伊丽莎白女王为其平反，计算机最高奖项为图灵奖！

2、冯诺依曼体系结构

2.1、CPU（通用计算机芯片）：CPU是计算机最核心的部分，进行算术运算和逻辑判断的，CPU是当前人类科技的巅峰之作，可以和氢弹的制作媲美，CPU造的最好的就是美国，全世界的计算机绝大多数使用的是这三个品牌：Intel、AMD、高通。CPU难的不是理论，而是工艺，Intel和AMD已经可以研发出5nm制程的CPU了，CPU内部有复杂的结构，单个组件尺寸大概就是5nm左右，尺寸越小，集成的内部主键就越多，CPU运算速度就越快，尺寸小到了一定程度，就脱离了经典力学的程度，量子力学开始接管了，所以后面的路任重道远。

2.2、输入设备：键盘、鼠标、麦克风、摄像头；输出设备：显示器、音响等；有的设备既可以输入也可以输出，比如触摸屏和网卡。

3、门电路

主要包括：与门、或门、非门，借助二极管等设备特殊物理属性实现

4、编程语言

编程语言是程序员和计算机之间沟通的桥梁，编程语言必须严谨且无歧义。

世界上上的计算语言可以分为三类：

1、机器语言：二进制(01)构成的指令，在CPU中使用。一般厂商在设计CPU的时候就会设计好“指令集”，CPU都支持哪些指令，以及这些指令要怎么工作，这就类似于CPU中提供的API供机器使用。

2、汇编语言：通过简单的单词作为助记符，代替二进制的指令，每一个的机器指令，就能对应到一个汇编语句。不同的CPU有不同的体系架构，支持的指令集也不同，即使是同类架构，不同版本，指令集也是不同的，这就导致了汇编语言的不同了，所以我们学习汇编语言的时候，一定要明确你学的是针对哪个系列的CPU。CPU的架构有：x86，arm，mips等。当下主流的PC和服务器都是x86结构，手机、路由器主要是arm结构。

3、高级语言：（c，c++，c#(sharp)),c++在c的基础上改进，c#在c++的基础上改进，但因为c#被微软搞了和windows的捆绑销售，所以市场占有率极地。

还有JAVA、python、php，PHP是世界上最好的语言(梗),PHP之前官网上自己写的(嘻嘻嘻)；也有中文语法的编译器，比如易语言、丙正正，但是中文难打，开发效率极低。

Java的前世今生：最早Java诞生，是用来做嵌入式开发的，老外的智能面包机，但是太拉胯了就没开发成，后来进行网页开发(applet)，主要用来开发网页，开发动态网页，实现网页和用户之间的交互操作，做的风生水起；后来Java遭到微软封杀，因为微软当时开发了一个最厉害的浏览器（IE浏览器），IE和windows系统捆绑销售，因为微软要扶持自家的编程语言（VBScript），就把Java打凉了，但微软的编程语言太弱了，这就让JavaScript躺赢了，成为了前端开发最主流的选择(199x年)，直到30年后的今天，才被微软的TypeScript取代。后来Java兵分两路，一边进行后端开发，一边进行嵌入式开发(手机程序)，J2ME技术，发展很好，但后来2007年苹果手机的问世，传统诺基亚手机就凉了，就使JavaME就凉了，而且传统的PHP做复杂网站容易把界面和业务逻辑混合到了一起，从巅峰跌落到了低估；后来Java进军移动端的安卓，安卓的原生语言选择了Java，本来谷歌要把Python作为原生语言的，但是因为Python作者龟叔的离职，没有选择Python，使Java崛起，安卓开发就让原来Java开发J2ME的程序员来快速的构建出了安卓的生态，很快安卓就成为了世界上第一操作系统。谷歌赚麻了，于是出现了经典的甲骨文版权费之争(因为安卓底层是Java实现的)，甲骨文把谷歌告上了法庭，最后谷歌败诉赔了天价版权费，现在谷歌正在搞新一代移动端操作系统和新的编程语言，就是为了脱离原来Java的版权控制。后来Java在后端领域发力，Spring社区崛起，成为了后端开发的主流语言之一，最终Java在如今虎踞编程榜的榜一位置！

二、操作系统

1、简介

操作系统就是个软件，搞管理的软件，对下要管理硬件设备，对上要给软件提供稳定的运行环境，操作系统是软件和硬件和用户之间交互的媒介；

计算机用户最熟悉的操作系统：Windows系统：windows98，2000，xp，vista，win7，win10，win11等等；

程序员需要掌握的操作系统：Linux，特别适合与进行开发和部署；用于服务器、嵌入式设备和移动端设备的开发等

苹果电脑用的系统：Mac系统，但是挺难用的。

手机上的系统：Android(本质上也是Linux)，ios和mac是同源。

2、操作系统的定位

2.1、硬件设备：指的是电脑中能看见的东西，后盖打开里面都是硬件设备。

2.2、驱动程序：硬件厂商在开发硬件的同时会提供驱动，电脑装了对应的驱动，才能让系统正确识别硬件设备，用于和硬件的通信。

2.3、操作系统内核：核心功能是对上和对下的管理

2.4、系统调用：操作系统给应用程序提供的api。比如：有个程序想要操作一下硬件设备，就需要先通过系统调用，把操作命令告诉给系统内核，内核调用驱动程序，进一步操作硬件设备。

3、进程

一个跑起来的程序，就是一个进程，进程(process)也叫作任务(task)。

作业（job）：这个术语比进程更抽象一层，你可以说process是job的一种具体实现，job也不一定全是process。

句柄(handler)：系统中包含很多的软件资源（进程就是一种软件资源），写代码的时候需要用到这些软件资源，软件资源就是在操作系统内核里的，在应用程序代码中，不方便操作。句柄就好比一个遥控器(简单的证书\编号)，通过系统借助这个句柄就可以操作软件资源了。指针也可以视为一个句柄，对应的是内存资源。

打开任务管理器，里面对应的就是你计算机上的进程了，每个进程对应一些资源，进程是操作系统资源分配的基本单位。进程是一个重要的软件资源，是由操作系统内核负责管理的。

进程的描述：使用结构体（c语言的结构体）来描述进程属性，操作系统基本上用c/c++来写的，为了描述这个结构体，起了个名字，PCB（进程控制块）。

进程的组织：通过双向链表（结构比双向链表更复杂），来吧多个PCB给串到一起。创建一个进程，本质上就是创建一个PCB这样的结构体对象，把它插入到链表中；销毁一个进程，本质上就是把链表上的PCB节点删掉；任务管理器查看进程列表，本质上就是便利这个PCB链表。

PCB：

1、PID，进程的身份标识符(唯一的数字)；

2、内存指针，指向了自己所在的内存；

3、文件描述符表，硬盘上的文件等其他资源；

4、进程调度的相关属性：

（1）进程的状态：就绪状态：随叫随到，进程随时准备好了去CPU上执行；运行状态：正在运行；阻塞状态：短时间内无法到CPU上运行；

（2）优先级：进程也是有优先级的，操作系统进行调度并不是一碗水端平的；

（3）上下文：操作系统进行进程切换的时候，就需要把进程执行的中间状态记录下，保存好，下次这个进程再上CPU上运行的时候，就可以恢复上次的状态继续执行。进程的上下文就是CPU中的各个寄存器的值，寄存器是CPU内置的存储数据的模块，保存的就是程序运行过程中的中间结果。保存上下文，就是把这些CPU存储器的值，记录保存到内存中；回复上下文，就是把内存中的这些寄存器值恢复回去。

（4）记账信息：操作系统会统计每个进程在CPU上占用的时间和执行的指令数目，根据这个来决定下一阶段如何调度。

系统中的进程很多(上百个)，但是CPU只有一个，虽然现在的CPU都是多核CPU，但是还是会出现“狼多肉少”的情况，我们希望这些进程能够同事运行，“分时复用”。

并行：微观上同一时刻，两个核心上的进程，就是同时执行的。

并发：微观上同一时刻，一个核心上只能运行一个进程，但是它能够对进程快速的进行切换，2.5Ghz 每秒运行25亿条指令，人们宏观上感知不到，感觉就好像好多个进程同时运行。

4、内存管理

内存其实是虚拟地址空间，程序中所获取到的内存地址，并非真实的物理内存的地，而是经过了一层抽象虚拟出来的地址；

内存条：

内存条中的各个编号就是真实的物理地址，内存支持随机访问，访问内存上的任意地址，速度都极快，时间都差不多是o(1)。

应用内存的真实物理地址的情况：

但是如果进程1代码出了bug，数组访问越界了，就可能会访问到了进程2的地址，就把进程2中的内容更改了，就会使进程2出问题，就会使其他程序崩溃，所以我们需要用虚拟地址把内存空间进行隔离，代码里不再直接使用真实的物理地址了，而是使用虚拟的地址，由操作系统和专门的硬件设备负责进行虚拟地址到物理地址的转换。

一旦其中的内存访问越界了，操作系统内核就会发现这里的地址，超出了进程1的访问范围，此时会反馈一个错误，发送一个SIGN SEGEMENT FAULT的信号来引起进程的奔溃，谁出bug了就谁崩溃，不会影响到别的进程。

4、进程间通信

进程因为虚拟地址进行了隔离，但是有的时候需要各个进程之间进行数据的交互，所以我们在隔离性的基础上，开了个口子，需要搞一个多个进程都能访问刀的“公共空间”，基于这个公共空间来进行数据的交互，这里的公共空间的实现主要是两种方式：基于文件、基于网络

三、进程和线程

并发编程：应用进程是为了解决并发编程的问题，所谓并发编程就是因为目前CPU进入了多核时代，要想进一步提高程序的执行速度，就需要充分的利用CPU的多核资源，所以我们需要把CPU充分利用上。

目前来说，多进程编程已经能解决并发编程的问题了，已经可以利用CPU的多核资源了，但是进程的创建、销毁和调度的开销太大了，消耗资源多且速度慢(主要是慢在了资源分配的问题上)，因此线程就诞生了。

线程：也叫“轻量级进程”，线程比进程在解决并发编程的问题上更加快速，线程能够有效的节省申请资源和释放资源的操作。

线程和进程的关系：

1、进程包含线程！一个进程可以有多个线程，也可以只有一个线程，但进程中不能没有线程，当第一个线程启动的时候，就会向内存申请资源，后续线程的启动就不用再申请资源了，同一个进程里的多个线程之间，共用了这个进程的同一份资源(只要是指内存和文件描述符表)；

2、操作系统进行调度的时候，是以线程为单位进行调度，如果每个进程有了多个线程了，每个线程是独立在CPU上进行调用的，（线程是操作系统调度执行的基本单位），每个线程有自己的执行逻辑；一个线程是通过一个PCB来描述的，一个进程里面可能对应一个PCB也可能对应多个PCB，在于进程数量的多少;PCB里面的状态、上下文、优先级、记账信息都是每个线程都是自己独有的，但在同一个进程中的PCB之间pid、内存指针、文件描述符表是一样的。进程专门负责资源分配，而线程专门负责接管和调度相关的操作。

线程安全问题（多个执行流访问同一个共享资源的时候）：

1、增加线程的数量的时候，也不是一定能提高运行速度的，CPU的数量有限，过多的线程就会使其浪费，线程太多，核心数目有限，不少的开销反而浪费在了线程调度的问题上了；

2、如果线程多但是处理的问题少的情况，就可能出现一个线程抛出异常，处理不好的情况下就会使整个进程崩溃。

四、线程的代码(Thread)

1、继承Thread对象，重写run方法

//一、继承 Thread, 重写 run
//创建线程的第一个方法，通过创建子类对象继承thread，调用start方法进行线程的创建
class MyThread extends Thread{@Overridepublic void run() {while(true){System.out.println("hello world");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}
public class threaddemo1 {public static void main(String[] args) {//创建一个线程对象Thread t=new MyThread();//start创建了一个线程，由新的线程来执行run方法，//具体就是调用了操作系统的API，通过操作系统内核创建新线程的PCB，并且把要执行的指令交给这个PCB//当PCB被调度到CPU上执行的时候，也就执行到了线程的run方法里了的代码了。//执行完毕立即销毁t.start();while (true){System.out.println("hello main");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

2、实现Runnable接口，重写run方法

//二、实现 Runnable, 重写 run
//第二个方法，通过创建子类对象实现Runnable接口，重写run方法，再通过主类实例化对象创建任务，通过线程对象调用任务
//优点:降低了耦合性，如果需要应用进程或线程池等对象时就不需要修改任务了
class MyRunnable implements Runnable{@Overridepublic void run() {System.out.println("hello");}
}
public class threaddemo2 {public static void main(String[] args) {//通过实例化myrunnable对象，创建一个任务给线程MyRunnable myRunnable=new MyRunnable();//创建线程对象，通过start方法创建线程Thread t=new Thread(myRunnable);t.start();}
}

3、继承Thread对象，重写run方法，通过匿名内部类实现

//三、继承 Thread, 重写 run, 使用匿名内部类
//通过thread的匿名内部类实现
public class threaddemo3 {public static void main(String[] args) {Thread t=new Thread() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello");}};t.start();}
}

4、实现Runnable接口，重写run方法，通过匿名内部类实现

//四、实现 Runnable, 重写 run, 使用匿名内部类
//通过匿名内部了实现了Runnable接口，重写run方法
public class threaddemo4 {public static void main(String[] args) {Thread t=new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello");}});t.start();}
}

5、通过Lambda表达式实现

//五、使用 lambda 表达式
// 通过Lambda表达式创建线程对象
public class threaddemo5 {public static void main(String[] args) {Thread t=new Thread(()->{System.out.println("hello111");});t.start();}
}

注意：以上线程的创建都是在调用thread对象使用start方法时才创建，其他的只是创建了一个实例化对象。

总结

以上很多理论知识，枯燥无味，但确实支撑我们多线程编程必不可缺的理论基础，所以我们必须熟练掌握！

所有成功的开始还得基于牢靠的基础，努力学习，坚持编码，编程伴随每一天！

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计算机工作原理及进程和线程的区别

课前导读：

一、计算机发展史

1、简介

2、冯诺依曼体系结构

3、门电路

4、编程语言

二、操作系统

1、简介

2、操作系统的定位

3、进程

4、内存管理

4、进程间通信

三、进程和线程

四、线程的代码(Thread)

总结

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