计算机是怎么跑起来的？

Posted 2021-03-10 qiuyong

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在学习工作中，经常会遇到些让我脑子短路无法回血的问题？

• 你去评估下这项目需要几台机器能维持稳定性，CPU要几核，内存要多大？
• X模块偶发出现内存飙升的情况，你追查下原因顺便想想如何优化？

瞬间，鸦雀无声甚至气氛一度及其尴尬。作为一个CURD男孩，写代码就是一把梭复制粘贴，那能管那么宽？仔细一想，我也是学过计算机组成原理、操作系统原理的男孩，岂能说怂就怂？

这时，冯·诺依曼、寄存器、内存、二进制、补码这些词忽隐忽现的飘过，就像一堆杂乱无章的思绪挤地铁一样挤入我的脑海。然而，我发现这跟上面的问题并没有丝毫联系，放佛我有一把方天画戟却切不动一盘菜的感觉，并没有什么用。

我相信，大多数同学在熟练编写业务代码后，会在出现一些复杂问题后被委以重任，这就非常考验大家的基本功了。

于是，我趁疫情在家时间充裕，花了一些时间阅读书籍和思考，尝试再去总结下计算机的基础知识。

02

首先，我先从计算机的三大原则开始说起。

1. 是什么？计算机是执行输入、运算、输出的机器

计算机本质上就是一台机器，机器的工作模式：接收指令（输入）、理解指令（运算）、做出动作（输出）。工作模式很简单，关键是计算机如何理解指令的呢？

举个例子：在一个阳光明媚的早上，你对你对象说：不去上班行不行？你对象娇滴滴的回答：不去上班你养我啊？

针对这桥段，你仔细想想你对象脑子里是怎么流转的？

• 输入：声音（汉语）
• 理解：
  • 接收声信号
  • 分析声信号是鸟语、英语、日语还是汉语？
  • 从脑库存（内存）中抽取积累的信息（学习所得），自我翻译理解
• 输出：表情（娇滴滴） + 声音（汉语）

其实，计算机也有三大基础元件。

• CPU（处理器）：负责解释、执行程序。
• 内存：负责存储程序和数据。
• I/O（Input/Output）：负责将计算机和外部设备（周边设备）连接在一起。

简单说，I/O就相当于五官跟大自然连接的器官，内存就相当于你的脑库存（脑知识库），CPU就相当于你的脑神经中枢。

2. 怎么交流？计算机只能理解数字

不同人种，不同的生物，有不同的语言。机器也不例外，它也有独特的语言，你只有跟它说数字才能理解。

你可能质疑道：放屁，我明明在我的浏览器用搜索引擎搜索关键字「靓仔」，它给我输出「博主照片」,它明明可理解中文。

其实，这功劳就要归功于程序，程序充当了中间翻译官。比如，我们人类本身是无法识别语言的，有些人上知天文下知地理，而有些人却只会牛逼和卧槽。这一切，取决于我们的脑库存的知识，这些知识会把外界的信息进行翻译让大脑能够理解。

于是，计算机中的内存是程序的载体，计算机只能理解数字，那么程序就必须被翻译成数字才能在计算机中运行。 程序要想运行起来，它将经历：程序 -> 编译（翻译）-> 机器语言。

这时候，你可能会想：程序到底是什么东西，能解释清楚吗？

3. 程序是什么？指令和数据的集合

程序就像是我们脑库存中的知识库一样，数据相当于人的记忆，指令相当于人的逻辑。

举个例子：

例子1: 1 + 1 = 2
1是数据，+运算是指令

例子2:
int i = 1; // 数据
int j = 0; // 数据

// 指令：顺序、条件、循环
if (i > 0) {
    j = i + i;
} else {
    j = i - i;
}

03

通过叙述，大概解释清楚了计算机的硬核元件是CPU、内存、I/O，程序的硬核内容是数据、指令，程序存储在内存中供CPU读取执行运算。

那么，我们用Java、C还是php写程序，到底在写什么？

本质上，写程序就是在输入初始值（申请内存），执行运算（顺序、条件、循环），输出预期值（写入内存）。

但是，我们知道内存是连续的，顺序执行是顺理成章的被计算机理解，条件/循环执行呢？于是，就出现跳转指令，用于跳转到指定的程序块。

基于内存约束，数据也就是连续存储在内存中。但是，人类对世界的需求是千奇百怪的，更不是纯线性结构的。同时，我们又无法去改变内存的结构。

于是，出现了很多的数据结构。

• 线性：链表、堆、栈
• 树状：二叉树
• 图状：邻接矩阵、邻接表、逆邻接表、十字链表

那么，这些数据结构有什么用？本质上来说，是为了适应各种运算方式从而找到最优解也就是算法，我认为「数据结构」是为「算法」服务的，这样才能更好的运转。

简单说，程序就是「数据 + 指令」线性存储在内存中供CPU调遣，CPU运算就是在执行顺序、条件、循环的运算逻辑。为了满足现实世界的诉求，人类为了更好让机器服务，于是研究出了各种各样的运算法则（算法），算法需要特殊的存储结构（数据结构），这样在现实世界与机器就友好相处了。

04

我们常听资深程序员说：不要去争执学什么语言了，学透一门语言，学习其他语言是很容易的？

通过上面分析，你仔细想想学习编程语言的过程？

• 第一课：数据类型（int、long、char、指针、bool）
• 第二课：运算符（+-*/）、控制流程（顺序、条件、循环）
• 第三课：数组、结构体、类
• 第四课：集合
• 第五课：文件、网络（I/O）
• 第六课：并发编程（CPU）
• 第七课：内存管理（内存）

其实，学习一门编程语言的逻辑是非常简单的，你想你按这个逻辑去学习一门新编程语言也可以轻松上手，主要关注不同语言的差异。

1. 学习程序基础结构「数据 + 指令」。于是，先学习数据类型，运算方式、控制流程、数组、结构体、类。
2. 为了简化我们的使用成本，于是必然会有很多可复用的集合「数据结构 + 算法」，list、map、set一定会与你相遇，只不过是穿什么大裤衩罢了。
3. 网络编程、文件处理，就是计算机跟外界接触的器官，输入/输出罢了。
4. CPU是执行运算的大脑，为了更好的榨干CPU，那就必然会并发编程，至于怎么并就取决于计算机有几核。
5. 内存管理就像仓库管理，你要有进有出。那么，内存你申请了不释放，必然会出现飙升直到仓库饱满挂掉。不同的是，内存管理是一项基本工作也是很复杂的事情，不同语言可能会推出自动回收内存的机制，也有像C++这种需手动回收的机制。

这样，我们理清楚了计算机硬件跟我们写的程序在宏观上的一个关系。于是，我们回到最初的问题。

问题1: 你去评估下这项目需要几台机器能维持稳定性，CPU要几核，内存要多大？

根据监控峰值QPS，根据不同QPS状况统计CPU和内存的占用情况，根据实际情况给个折中值就好。

问题2: X模块偶发出现内存飙升的情况，你追查下原因顺便想想如何优化？

这就是个内存管理问题，主要去review内存申请和销毁的程序逻辑，重点看是否有申请不释放的逻辑，辅之以工具，那就有解决办法了。

总而言之，有时候并不是碰到的问题的有多难，而是如何去思考定位关键问题，辅之以工具，不断实验和调试，最终从根本上解决问题。而不是，胡子眉毛一把抓，或怒气冲冠大喊尼玛狗逼，或惊慌失措叨叨凉了凉了。相信自己，脑子在思考，我们就能赢。