计算机是如何工作的

一、操作系统

计算机的核心硬件包括：

• CPU（中央处理器，负责计算与调度）
• 内存（临时存数据 / 指令，速度快）
• 硬盘（长期存数据，容量大）
• 外设（键盘 / 网卡等）

这些硬件本身是“裸设备”，需要操作系统（OS） 作为“中间人”协调它们工作，同时对接上层应用。

操作系统（如 Windows、Linux、Mac OS、Android）是计算机中一个重要的管理软件，其作用包括：

• 管理各种硬件设备
• 为应用程序提供稳定的运行环境，确保它们工作过程中互不干扰

操作系统管理应用程序的核心方式，是把“运行的程序”抽象为“进程”——每个进程都有独立资源，OS 通过统一的“进程控制块（PCB）”来管理它们。

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二、进程（Process）和线程（Thread）

进程（Process）

• 是操作系统资源分配的基本单位
• 一个运行起来的程序就称为进程
• 现代计算机可同时运行上百个进程，因此需要操作系统进行有效管理

线程（Thread）

• 是操作系统调度和执行的基本单位

线程与进程的区别

特性	进程	线程
资源分配	有独立资源	共享进程资源
调度单位	资源分配的最小单位	CPU 调度的最小单位
开销	创建/销毁开销大	创建/销毁开销小
并发效率	相对较低	同一进程内并发效率高

既然进程是资源分配的基本单位，操作系统如何精准管理上百个进程？答案就是“进程控制块（PCB）”——它记录了进程的所有关键信息，是 OS 管理进程的“核心档案”。

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三、PCB 中的关键要点

PCB（进程控制块） 是操作系统管理进程的核心数据结构，包含以下关键信息：

1. PID（进程ID）

• 进程的唯一身份标识符

2. 内存指针（一组指针）

• 内存指针（一组地址标记）：告诉进程‘我的执行指令存在内存的哪个位置，需要用到的数据又存在哪里’—— 相当于进程的‘内存地图’。
• 进程运行的过程中，需要依赖内存资源

3. 文件描述表

• 记录进程打开的文件信息（包括硬盘文件、网络设备等）
• 操作系统将硬件设备（如网卡）也抽象为文件进行管理

PCB 除了记录进程的“身份、资源”信息，还包含“调度相关的属性”——这些属性是 OS 实现“进程并发执行”的关键，也就是“进程调度”。

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四、PCB 中的进一步属性

1. 进程调度

为实现并发执行，操作系统需要进行进程的快速切换，即进程调度。调度相关属性包括：

- 进程状态

• 就绪状态：进程已准备好，可随时在 CPU 上执行
• 阻塞状态：进程暂时不适合在 CPU 上执行（如等待 I/O 操作）

- 进程优先级

• 不同进程对 CPU 资源的需求不同（如游戏进程优先级更高）
• 有些进程(比如黑神话悟空)，就是要优先级更高一些，吃到更多的CPU资源

- 进程的上下文

进程调度，一个进程执行一会，失去CPU，过了一段时间之后进程会回到CPU上执行，沿着上次执行到的状态，继续往下执行而不是重头执行

• 寄存器：CPU 上的“临时记事本”，存储计算的中间结果、指令位置、函数调用栈等信息
• 保存上下文：进程被切换出 CPU 时，将寄存器值保存到内存（PCB 中）
• 恢复上下文：进程再次被调度时，将保存的值重新加载到寄存器
• 类似游戏中的“存档”和“读档”机制

- 进程的记账信息

• 统计每个进程在 CPU 上的运行时间
• 用于公平调度，避免某些进程长时间得不到执行,如果发现某个进程，好久没吃到CPU资源了，就会给这个进程倾斜一些资源