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