本节介绍进程和计算机相关概念,为后面介绍多线程铺垫一下

计算机算机组成

• CPU(Central Processing Unit)中央处理单元，计算机最核心的部分，相当于计算机的大脑。
• 存储器
  • 内存（主存）：速度快快、空间小、成本更高、掉电后数据丢失。
  • 外村：速度慢、空间大、成本低、掉点后数据丢失。
• 输入设备
  • 键盘、鼠标、网卡等。
• 输出设备
  • 显示器、音箱等。

可怕的是CPU虽然制造极其困难，但是它的价格却不高，几年前的CPU已经成为白菜价了，问什么会出现这种情况呢？

1. CPU通过大规模量产，可以降低成本。
2. CPU迭代速度非常快，并且每一代CPU相较于上一代的提升都很大，这就使得前代CPU的价格大幅度降低

因特尔CPU型号

英特尔CPU型号首先是分哪个系列的，然后一个产品线和代数

• 服务器 - 至强
• 家庭 - 酷睿
  • I3 - 入门级
  • i5 - 普通级
  • i7 - 高端级
  • i9 - 旗舰级
• 嵌入式、低耗设备 - 赛扬。我们这里所说的什么I3、I5、I7、I9，这个是针对酷睿。

    由于CPU技术迭代快，所以CPU的代数是一个非常重要的指标，一般来说，13代i5的性能会大于12代i7。那么为什么会出现i3、i5、i7、i9呢？是由于CPU加工有一个良品率的问题。CPU的体积虽然小巧，但是其内部包含了非常精密的大规模集成电路，存在着大量的计算单元（ALU - Algorithm Logic Unit），每个计算单元体积都极小，这就给加工加工制造带来了非常大的难度。在制造时是使用激光刻蚀去构建集成电路的。所以制造出的CPU中的计算单元会有的无法完成计算任务，有的计算单元是不可用的。那么厂家使用一定的技术屏蔽不可用的计算单元，只保留功能完好的计算单元，所以计算单元的数量就对应了各个级别的CPU。

摩尔定律

    摩尔定律是有因特尔联合创始人兼副总裁摩尔，在长期从事CPU制造后，总结出来的一个定律，内容大致是：芯片每隔18个月，集成程度提高一倍，计算效率提高一倍，成本下降一半。这个定律在CPU发展的50多年中一直被印证。

衡量CPU的指标

主频和核心数是衡量CPU性能的核心指标.

主频即CPU的时钟频率，计算机的操作在时钟信号的控制下分步执行，每个时钟信号周期完成一步操作，时钟频率的高低在很大程度上反映了CPU速度的快慢。

• 主频 - 3.20GHZ

  • 指的是CPU每个时钟周期所指向的指令条数
  • 可以简单的理解为CPU每秒钟可以执行32亿条指令

• 核心数

  • 核心就是一个能完成完整计算功能的整体
  • CPU最初都是单个核心的，只能执行单个程序,后来发展出现了多进程、多线程技术，厂家为了支持这样的技术，就研发处理多核心的CPU
  • 多核CPU的到来，又一步极大地提高了CPU的性能

指令（Instruction)

指令时CPU上能够执行任务的最小单元。高级语言中一条语句可能就对应了CPU中的多条指令，比如高级语言中的加法操作，在CPU指令层面可能就要执行load（读取数据到寄存器），add（加法器完成加法操作），store（写回内存）。在CPU设计是就会支持一些指令，让CPU可以正常的工作，CPU的工作就是由一条条指令组成的。

操作系统（Operating System）

操作系统很多,比如我们最常用的Windows，Mac OS,服务器使用的Linux/Unix ,移动端的Android、Ios等，虽然这些操作系统来自于不同的厂商，功能也各有侧重，但是这些操作系统的核心机制是相通的。

操作系统本质上是用来管理计算机软硬件资源的软件，对下管理所有的硬件设备，对上给软件（应用层）提供一个稳定的运行环境，这一点是由进程的隔离性保证的（后面会介绍到），可以保证各个程序在运行时（进程）不会相互干扰。

操作系统分为内核态和用户态两种模式，一个程序在运行过程中，可能是在用户态工作，也可能是在内核态工作。首先介绍一下什么叫做内核。内核其实顾名思义，它就属于是一个操系统，最核心的功能模块。简单理解 操作系统 = 内核 + 配套的应用程序。一些核心的程序都是直接在内核中运行的,如一些驱动程序等。内核只有一份但是却要给很多的上层软件提供支持，一般内核都会给上层提供API供上层使用。

在Java中，一般不会直接使用系统API，由于不同操作系统提供的API是不相同的，Java对系统API进行了一层封装,保证跨平台特性，降低了学习和使用的成本。

虚拟地址空间（Virtual Address Space）

早期的操作系统它程序运行时，它分配的内存就直接从物理内存上进行分配。这样一旦某个程序越界访问/修改内存,就可能会导致其它程序异常崩溃

为了解决这个问题就引入了”虚拟内存空间“的概念，通过对物理内存的抽象，通过虚拟内存映射到物理内存，在访问到物理内存之前强行检查，防止出现未定义行为。保证了进程间的隔离性从而给进程提供一个稳定的运行环境。

假如你故意访问构造一个其他的一个地址，在应用程序这个层面看到的是异常，在系统内部，它是通过这个信号机制触发一个signal segment default（段错误）这样的一个信号。

进程(Process/task)

在Java语言生态下，并多进程编程使用的并不多，创建、销毁、调度进程是一个很大的开销。反而在C++中经常使用多进程编程，Java中经常使用多线程编程，要想清楚的了解线程，就要先对进程有一个大概的了解。

进程（Process），又叫做任务（task），进程本质上是一个正在运行的程序，exe文件只是一个可执行文件，是静态的，不是进程。进程运行时，CPU会分配给进程一定的系统资源（CPU资源，内存资源、硬盘资源…），每个进程要想执行就都需要消耗一定的系统资源，进程每个时刻消耗的资源都是动态变化的。 所以进程是操作系统资源分配的最小单位

进程管理(PCB - 进程控制块)

1. 先描述：使用PCB结构表示出进程的各种属性
2. 后组织：使用类似双向链表，把这些PCB给串起来
   

进程是系统分配资源的基本单位。进程的管理，想要对实体进行管理，首先在Linux操作系统中使用task_struct结构体描述和管理一个进程，task_struct又叫做PCB（Process Control Blob）进程控制块，这样我们就可以操作系统中的进程使用一定的数据结构来进行管理（增删改查）了。一个进程可能有一个PCB，也可能有多个，因为一个进程可能会有多个线程。

当我们创建一个进程，本质上就是创建出这样的一个结构体，再把它插到链表上面。销毁一个进程，那就是直接从这个列表上删掉一个节点。查看进程列表，其实就是在这个双向链表进行遍历。

进程控制块（Process Control Blob）

下面我们挑选一些PCB中比较重要的概念进行介绍。

1. pid 每个进程（进程中的所有线程共享同一个进程的pid）都有唯一的pid，是一个进程的唯一身份标识。

2. 内存指针 描述了进程所持有的内存资源。进程在运行时操作系统会分配一块儿内存空间，而这 块内存空间就是有一组内存指针来维护的。使用内存指针区分这块内存空间具体在哪里，有哪些部分，每个部分有什么作用。比如，进程的内存空间需要有专门的区域存储要执行的指令，以及指令依赖的数据。并且还需要存储一些运行时产生的临时数据，这些都属于是我们不同的一个内存空间所负责的一个作用，所负责的一个功能。（CPU 大概的工作流程 取指 - 译码 - 执行 - 写回）。

3. 文件描述符表 描述了进程持有的硬盘资源。在操作系统中，硬盘上面的存储空间以文件的这种抽象的形式来去进行表示的，所以这个时候我们代码里面操作的是文件，实际上在硬件上操作就是硬盘。一个进程也会涉及到一些硬盘操作，比如说从硬盘读数据，或者往硬盘上写数据（IO），那这是我们就需要按照文件的方式来组织。进程它关联了哪些文件，都能操作哪些文件。

上面的三个字段描述了进程的id和进程持有的资源，那么下面我们介绍几个用于进程调度的字段,也就是CPU资源的分配的情况。

• 并发:两个进程在一个CPU核心上"轮转调度","分时复用"执行
• 并行:两个进程分别在在两个CPU核心上同时执行

进程在调度之下，会“同时”执行，轮转执行，只是这个速度非常快，肉眼无法感知到，这个过程叫做并发，或者分时复用。平时开发中， 会通统一使用做并发，来代指并行和并发。进程就是为了实现并发编程的效果，提高效率。

管理进程调度的字段:

4. 状态
   简单介绍两个核心状态:

   1. 就绪状态：正在CPU上执行或者随时准备到CPU上执行。
   2. 阻塞状态：由于某些条件不具备，暂时无法到CPU上执行。

5. 优先级

CPU会根据重要程度来划分优先级，从而在进程调度时让优先级更高的进程获得更多的调度机会。比如，游戏和QQ的优先级不同，游戏程序的优先级肯定会大于QQ，QQ只需要在后台收消息，而游戏会实时影响你的体验。

6. 上下文

什么是上下文?

上下文是保存在内存中的，在进程离开CPU之前，会把当前CPU中的各种寄存器，将寄存器中的数据打包,记录到内存中去，下次调度来到时，就可以把只写寄存器的值进行回复，还原场景，沿着上次执行的结果继续执行。类似于单机游戏存档和读档.

CPU某些寄存器属于没有特点含义，就只是用来保存计算的中间结果的，有些寄存器是有特点含义的，保存当前执行到那个指令（程序计数器），记录了下一条指令所在的位置，维护栈相关的寄存器，通过这一组寄存器，维护当前程序的调用栈（局部变量和方法参数），一般是一对寄存器，有了这个我们才知道下一步到哪儿执行

7. 记账信息
   1. 记账信息中会对进程调度执行进行统计，从而为进程调度提供一个参考
   2. 如果某个进程长时间未被调度，那么下次调度它的概率就会增加
   3. 通过优先级机制对不同的进程分配了不同权重的资源

进程的状态、优先级、上下文、记账信息是用配合完成进程调度得，和进程持有的cpu资源密切相关。由于CPU核心数少，进程多，这是就需进程轮番在CPU上执行，只要轮转的速度够快，在用户眼中，看起来就像是在“同时“执行一样。

进程间通信

由于进程之间彼此独立，具有隔离性，虽然保证了进程的安全，进程之间不会相互影响，但是也出现了一个问题，就是进程之间如何通信。进程间通信的核心思想是借助共有空间，主要形式有以下两种。

• 文件（IO）
• 网络（socket）