计算机是怎么跑起来的?

2019/04/10 10:10
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01

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

计算机通路.png

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)。

流程图.jpg

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。 内存跳转图.jpg

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。

原文出处:https://www.cnblogs.com/qiuyong/p/12291589.html

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