计算机是如何工作的

一、计算机组成心脏——冯诺依曼体系

1. 核心部件对比

组件	作用	相当于人体器官
CPU	处理计算和决策	大脑（思考中枢）
内存	临时存储运行数据	短期记忆
硬盘	永久存储文件	长期记忆
输入设备	接收用户指令	感官（眼睛/耳朵）
输出设备	显示结果	动作（手/嘴巴）

2. 日常开发中的体现

• SSD快速启动项目：内存将代码加载到高速区域 → CPU快速处理
• 程序卡顿分析：内存不足时需要与硬盘频繁交换数据 → 引发卡顿

二、程序执行底层原理

1. CPU工作四步循环

// Java程序片段示例
public static void main(String[] args) {int x = 10 + 20;System.out.println(x);
}

步骤	CPU实际处理	Java对应行为
取指	从内存地址0x7FF读取指令ADD 10, 20	执行加法运算
解码	识别要做加法运算并准备寄存器	JVM解释字节码
执行	ALU物理线路通过门电路完成二进制加法	计算结果x=30
写回	将结果存入内存地址0x0100	变量x内存分配

2. 开发者必知特性

• 缓存重要性：L1/L2缓存读取0.5ns vs 内存读取100ns（差200倍）
• 流水线优化：I7处理器14级流水线 -> 多条指令并发处理

三、语言演化与编程发展

编程语言进化树

机器语言 (10110011) → 汇编语言 (MOV AX,5) → C/C++ → Java/Python
 

Java核心优势

// Java示例：自动内存管理 vs C手动管理
// C语言
int* arr = (int*)malloc(10*sizeof(int));
free(arr); // 必须手动释放// Java语言 
int[] arr = new int[10]; // 自动回收

特性	C语言	Java	对开发影响
内存管理	手动	自动GC	减少内存泄漏风险
指针操作	直接	引用代替	提高代码安全性
跨平台性	需重新编译	字节码通用	"一次编写处处运行"

四、操作系统核心机制

1. 进程管理三要素

• 程序块：能够被调度到CPU执行的程序代码段（程序还能被多个进程共享，也就是说多个进程可以运行同一个程序）
• 数据块：存储全局变量、常量以及动态分配的数据空间
• 控制块 PCB：一个进程的身份证。 在进程创建时被建立，之后常驻内存，直到进程结束时才被删除

2. 进程调度类比

餐厅场景：

• 厨师=CPU核心
• 订单列表=就绪队列
• 时间片轮转=每个订单处理2分钟切换
• 优先级调度=VIP订单优先

3. Java多线程开发要点

// 典型的生产者-消费者模型
public class Buffer {private Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private int capacity;public synchronized void produce(int item) throws InterruptedException {while(queue.size() == capacity) { wait(); // 释放锁等待}queue.add(item);notifyAll(); // 通知消费者}public synchronized int consume() throws InterruptedException {while(queue.isEmpty()) {wait();}int item = queue.remove();notifyAll();return item;}
}

关键机制：

• synchronized实现互斥锁
• wait()释放锁并进入等待集
• notifyAll()唤醒等待线程

实际场景：
当开发Servlet应用时：

1. Tomcat为每个请求创建独立线程（进程级隔离）
2. Session数据存在堆内存中（内存管理）
3. 数据库连接使用连接池（资源复用-进程管理思想）
4. JVM通过垃圾回收器自动管理内存（操作系统级支持的扩展)