计算机原理

CPU 执行过程（简述）

CPU 的本质就是一个执行指令的工人。

上面的概述引发了几个问题，什么是指令？指令从哪里来？CPU 如何执行和加载这些指令？

指令，顾名思义指示和命令。这个命令和指示的对象是 CPU，CPU 可以明白它的意图，并执行。

现代 CPU 识别的指令都是由字节码组成，即一长串的 0 和 1。

还记得远古计算机是如何编写和执行指令的吗？没错，是一条条穿孔的纸带，带孔为 1，无孔为 0。那个时候就是用这种朴素的方式来组成一条条指令。但是现在已经被晶体管代替了。

CPU 从内存中读取指令，并执行指令内容。指令执行的中间结果会保存到相应的寄存器中。

Tips:  像这种指令和数据存储在一起的结构称作 冯·诺伊曼结构

程序装载与执行

CPU 能够执行指令，但一般都是给一组指令交给 CPU  去执行。该组指令中可以构成简单的逻辑跳转，例如：C 指令执行成功，则跳转到 F 指令执行，否则跳转到 D 指令。

程序就是一组指令和数据的集合，在 Windows 中就是我们常见的 exe 文件。

当我们在电脑中打开多个记事本时，内存中为多个记事本进程开辟了不同的空间，对于每个记事本来说，自己所处和所使用的的内存地址都是一样的，进程之间互不干扰。但是通过「上帝视角」可以发现每个记事本进程只是占用内存的一段空间而已。

Q: 不同 CPU 架构，为什么不能运行同一个程序 ？

A: 不同 CPU 架构对于，指令集的理解不同。因此程序需要在不同的 CPU 架构中使用不同的指令集。

Q: 同 CPU 架构，不同操作系统，不能运行同一个程序 （Linux  和 Windows）？

A: 同 CPU 架构 对于程序指令集的理解是相同的。

不同之处在于，系统提供的 API 不同。例如，Windows 提供了 createProcess 方法创建进程，但对应 Liunx 上就不存在该方法。

不同系统内存布局也不相同，导致装载程序的方式也存在差异。因此，程序跨平台性存在问题。

解决跨平台

为了解决跨平台问题，于是在操作系统之上维护了一个虚拟机 JVM。

JVM 负责把统一的中间语言，转换成对应操作系统的能识别的语言。而这个中间语言之上就是高级语言，像 Java，Python 等。这些高级语言的作用就是把我们编写的代码，编译成中间语言，然后交给 JVM 执行。这也是为什么 Java 和 Python 具有跨平台性。

但并非所有的语言都需要转化成中间语言，像 Go 编译之后就是 native 的，因此不需要 JVM，直接交给操作系统执行。由于省去了一个 JVM 虚拟机中间操作，因此性能会极大的增强，但跨平台方面就会收到限制，需要对不同操作系统编译。

动态链接库

假如所有程序都需要调用一个指令 A，为了避免重复，可以把 A 和一些经常使用的指令封装成库。这样程序中就不需要完整地写入 A 指令，只需要引用 A 指令即可。这样CPU 就会在程序之外去调用 A 指令，完成操作。

把这个引用库的行为称作「动态链接库」

这样做的好处显而易见，可以省空间，程序都从一个地方调用执行。还有就是，需要升级的话，只需要升级引用的库即可。

缺点也很明显，当程序引用的库，找不到时。就会提示「缺少 xxx」，比如一些游戏启动的时候。存在库，但是不兼容也是很要命，例如程序需要 1.0 版本的库，但是系统只有 2.0 的库。程序在刚开始启动可能不会有问题，但是当执行到需要引用 1.0 版本的库命令时，程序就会崩溃。

程序时分复用

日常生活中，经常会一边听着歌，一边敲着代码。有没想过，为什么听歌和我写代码可以同时执行？

这是因为，虽然 CPU 只有一个，他只能按照顺序一个一个执行，但是架不住他快啊。你这一眨眼的功夫，他已经在几个程序中切换执行了很多遍，给你的感觉这几个程序在同时进行，计算执行效率快的离谱。

时间片

正如上所说，CPU 会再程序中切换执行，相当于每个程序在轮流占用 CPU 时间，占用的时间称为「时间片」。只有线程和进程能占用 CPU 时间。

程序进程能占用 CPU 时间，但是并不能一直占用 CPU，否则其他程序便无法继续执行了。当程序的时间片结束了之后，CPU 便往下执行下一个程序的时间片。

请求慢速设备时，也会例如我们用记事本编写一段文字后，点击「保存」。这个时候需要将我们写的内容存储到磁盘上，由于 IO 操作和 CPU 的执行速度相比实在是太慢了，因此 CPU 并不会傻傻等待 IO 保存，而是继续往下执行下一个指令。

这可能与你理解的不相符，有的应用程序保存后，会弹出「保存成功」的框，如果 CPU 不等待 IO 的话，那他怎么及时处理这个弹框呢？这就涉及到另一个知识了「中断」。CPU 会对中断请求进行「特殊处理」，当 IO 操作结束后，就会向 CPU 发起一个中断请求，CPU 会放下手头的活，优先处理这个中断请求。

总结，以下三种情况会放弃 CPU。当前程序的时间片执行完成之后，当需要请求一个慢速设备时（IO 操作），存在中断请求时。

上下文切换

当占有 CPU 的程序，时间片到了后，CPU 开始执行下一个程序了。当 CPU 再次执行原来的程序时，他是怎么知道原来的程序执行到哪一步了，换句话说，如何恢复程序执行的状态。

时间片快要结束时，CPU 会将当前程序的数据，执行步骤等信息保存起来，当再次执行到该程序时，就会加载保存的数据，恢复之前的状态继续执行。和打游戏一样，打着打着，突然被爸妈喊去吃饭，这个时候就要把游戏存档，等下次打开游戏直接读档，继续游戏即可。这个「存档」和「读档」过程，就叫做上下文切换。

由于 CPU 频繁的切换上下文，这个性能开销虽然对于普通用户感知不到，但是对于 CPU 执行来说确是巨大的。这也是为什么有「用户态线程」的概念，即程序自身去维护内部的线程调度，这样就会大大减少 CPU 上下文切换，这也正是 Go 语言所使用的的协程。