[超级干货]-程序在计算机中是如何运行的？

[超级干货]-程序在计算机中是如何运行的？朵藝IT技术 2020-03-28 15:52:40

开门见山，咱不说废话！

你有没有想过，你写的程序，是如何在计算机中运行的吗？比如我们搞Java的，肯定写过这段代码

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

熟悉吧，可能大家都知道，运行输出“Hello World!”，不过嘞，今天我带你从内存和CPU的角度去剖析一下这段代码在计算机中是如何执行的。

Hello World保存在哪？

首先问你个很简单的问题，当你写下这段代码的时候，你把它保存在哪了，假如说你说是桌面，就像现在这样

是的，一个HelloWorld.java文件就保存在了桌面上，这个叫做Java源文件，不过说是保存在桌面上这个有点模糊，这个桌面又是个啥呢，我们应该想象它保存在了我们电脑的哪个部分呢？一台计算机包含如下基本五个部分：

• 运算器
• 控制器
• 存储器
• 输入设备
• 输出设备
  

在计算机中啊，保存信息主要靠存储器，而存储器又分为内部存储器和外部存储器，内部存储器就是内存了，而这个外部存储器主要就是磁盘了，磁盘又分为硬盘和软盘，而我们电脑中的大部分就都是硬盘了，这里也分为固态硬盘和传统机械硬盘。

不管怎么说吧，磁盘也好内存也罢，就是用来存放数据的，那么我们就知道了我们写的这个Java源文件应该就是存放在电脑中的磁盘了。

那么代码保存到硬盘中之后呢？

今天的主角，CPU和内存

代码被保存到硬盘之后，接下来就要CPU和内存登场了，提起精神了，超级干货来了。

告诉你个秘密，理解CPU和内存是如何在一块工作的，是每个学编程必备的基础中的基础，反正就是很重要！

我们在上面提到了硬盘，这里又说到了CPU和内存，那么我们就来看看这三个家伙

硬盘，内存和CPU

先看一张图

这张图大致描述了三者的一个关系，什么关系嘞，数据读取的关系，我们之前不是说我们写的代码保存到了硬盘中了吗，如果要执行这段代码的话，需要把这段代码从硬盘中读取到内存中，此时的代码已经变成了二进制文件存储在内存中，为了更好的去理解，我们把上面的代码再进一步改写下：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 3;
        sum = a + b;
        System.out.println(sum);
    }
}

也就是加入了一个基础的加法运算，此时这段代码已经变成二进制文件放到了内存中，现在要继续执行，也就是要执行代码的加法操作，此时的数据a和b，也就是5和3已经是二进制的形式在内存中，现在需要把a和b做加法运算，CPU收到这个指令（将a和b相加），就会去内存中将a和b读取，然后存放到自己的寄存器中，然后由CPU中的运算器去做加法运算，得到的结果依然放到寄存器中。

是不是有点懵？啥是寄存器？运算器呢？别急，我们继续往下看。

内存是个啥？

这个内存是啥呢？内存条知道吧，我们电脑中的内存条，它是属于内部存储器，主要就是用来存放数据的，也可以理解为我们这里说的内存，这是实际存在的，我们可以看得见的内存条，但是关于数据存储，怎么存储，是不是还有点模糊，那么我们抽象点来说，这个内存其实就是一个个的小格子，就像这样：

这些小格子就是用来存放数据和指令的，而且每个格子都有自己的编号，这个编号大家也熟悉，就是我们经常说的内存地址。

另外你需要知道的是，计算机是只认识0和1的，所以存放在内存中的数据其实都是二进制文件了。

CPU是个重点

其实关于内存，先了解上面那些就足够了，内容比较多的就是CPU了，想必大家都听说过CPU就相当于人的大脑一样，对电脑来说，至关重要，所以啊，CPU的结构是真的复杂，怎么办？

一般碰到这样的，我们就需要有选择的进行掌握和学习，因此对于CPU，你必须了解的两个东西，一是寄存器，另外一个就是运算器，为啥，这又是啥？

想要搞明白这个问题，咱们需要先来看看如下这些知识点。

CPU的特点

首先，这家伙是真的复杂，除此之外嘞，你还需要知道对于CPU来说，必须要把数据读取到寄存器中才能做相应的运算，另外CPU的数据读写的速度是真的快，内存和硬盘根本没法比，可能你没啥概念，举个例子吧

CPU这家伙执行一条指令大约需要耗时1ns，但是对于内存呢？它去硬盘读取数据至少8ms，在这段时间内，CPU可以执行大约800万条指令，说这个，主要是为了让你直观的感受到CPU是真的快。

就像《码农翻身》一书中说的那样：

CPU的运算速度快的丧心病狂，但是它能做的事情简单的令人发指

啥？为啥做的事情简单的令人发指呢？

别看CPU那么牛，那么复杂，那么快，它做的事情真的挺无聊的，总结起来，CPU主要就干如下四件事情：

1、从内存中读取数据，然后放到寄存器中

2、把寄存器中的数据写入到内存

3、进行数学运算和逻辑运算（加减乘除，AND,OR）

4、依据相应的条件进行跳转，执行其他指令（一条指令跳转到另外一条指令）

不知道你发现没，我们似乎一直在提寄存器，这又是什么玩意？这就要看看CPU的构造了

CPU的重点组成部分

我们上面也说了，CPU的结构真的很复杂，但是我们需要重点关注如下几个重要组成部分：

寄存器

运算器

没错就是这俩货，那他们是干啥的嘞，首先你得知道他们是CPU中的东西，这个寄存器啊，说白了就是存放数据的，是个存储部件，还记得之前说内存就是一个个的小格子吗？这个寄存器你就可以简单的想成也是小格子，放数据的。

寄存器

寄存器是存储部件，容量非常有限，能存储的数据的大小，现在来说一般有两种，也就是我们常听说的32位和64位，32位的寄存器就能存储4个字节的数据，64位的寄存器就能存储8个字节的数据，另外CPU也分为32位和64位其实就是由其中的寄存器的位数决定的，可想而知，即使是64位的寄存器也干不了啥大事啊，所以啊，现在的CPU一般都内置了很多的寄存器，依此来完成比较复杂的操作

运算器

另外一个就是运算器了，这个是计算的核心，主要的作用就是用来做加减乘除这些运算的，不过嘞，这里你需要知道的一点就是，运算器是没法直接操作内存中的数据的，很容易想到，运算器操作的数据是寄存器中存放的数据。

CPU和内存的交互

简单的了解了内存和CPU之后，我们就可以来看看程序代码是如何进一步被执行的，上面提到了，程序代码被读取到内存中了，现在要执行这段代码，那就需要CPU出马了，首先嘞，CPU会去读取需要进行操作的数据，对了，继续看这代码：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 5;
        int b = 3;
        sum = a + b;
        System.out.println(sum);
    }
}

也就是需要读取数据a和b，那么读取到的数据a和b存放在哪了呢？根据我们上面对CPU简单的了解可知，数据a和b是被放到了CPU中的寄存器中了，看这个图

在CPU中有两个比较重要的组件就是运算器和寄存器，寄存器有很多个，再看内存，是一个个的小格子，每个格子有编号，比如说现在数据a和b分别存放在#1和#2上，然后CPU将他们读取放在寄存器R1和R2上

这个时候就要计算a和b的和了，然后就轮到运算器出马了，它会拿到寄存器R1和R2，也就是拿到数据a和b，然后做加法运算

那么计算之后的结果也就是sum，运算器会再次把它放到寄存器，比如R1中，这个时候之前的数据b就会被覆盖，如此一来，CPU和内存就一起完成一次加法运算操作。

这里其实我们把关注点聚焦到了加法运算操作，实际上，程序代码被装载近内存的时候会产生数据和指令两部分，数据我们都知道是啥，指令嘞？

其实也好理解，指令就是说明程序该怎么执行，对于CPU来说就是告诉CPU该做什么，比如告诉CPU，读取数据a和b，然后再将他们相加，说白了，CPU是根据指令干活，指令让怎么干，咱就怎么干。

因此，你必须告诉CPU该干啥，否则，CPU也很懵的呦。

经过上面的简单介绍，我们再来看看CPU主要做的四件事情：

1、从内存中读取数据，然后放到寄存器中

2、把寄存器中的数据写入到内存

3、进行数学运算和逻辑运算（加减乘除，AND,OR）

4、依据相应的条件进行跳转，执行其他指令（一条指令跳转到另外一条指令）

怎么样，是不是更加清晰明了！

总结一哈

这么一看，也没啥难的吗？总的来说啊，就是我们写的程序是放在硬盘中的，在运行的时候才会被调入到内存中，也就是说内存中的数据是从硬盘来的，而CPU中寄存器的数据又是从内存中装载进来的，然后CPU会根据相应的指令去操作寄存器中的数据，比如加减乘除什么的，以此来完成一个程序在计算机中的运行。

一句话总结：

本身程序是在硬盘上，需要把程序加载进内存，然后由CPU去执行

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