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一提到“编程”“程序设计”“C/C++”等,我想大家都会联想到很多东西,为常见的就是IT男、程序猿、电脑大拿等等。
程序设计真的很难吗?什么样的学生适合学?什么样的学法轻松?
熬夜是程序猿的日常
年龄
其实啊,程序设计并没有那么遥不可及,小学四年级以后就可以接触程序设计了。为什么要是四年级呢,因为四年级的学生,数学知识已经有了一定的积累,可以应对程序设计所需的低要求,同时英语也有了一定量的单词储备,在学习程序设计语言的时候不会太困难。dunsijiaoyu zz

开发一种编程语言是可以赚钱的,你信吗?
实际上开发一种新的语言意味着建立自己的“统一标准”(说起标准就不得不谈高通了,高通从“标准”上捞了多少银子?),一方面可以方便维护自己的产品,另一方面可以借助市场地位程序员学习某种语言进而达到自己(至少在某一领域)的霸主地位。为什么这么多年以来微软对BASIC情有独钟?在DOS时代,QBASIC——一种BASIC的变种,是每台PC上必装应用,也是当时很多人必学的一种语言,QBASIC无论是从程序执行效率还是语言的思维性上都不好,但是因为是预装的,本着“不够好但够用”的原则,许多用户居然凑合下来了(惭愧本人就是从QBASIC开始接触编程的)!这恐怕和IE用户如此众多的原因是异曲同工的吧?就这样QBASIC居然一时成为了受欢迎的入门编程语言工具。
到后来,微软推出Visual Basic实际上是为了和Borland(现已被收购)的Delphi竞争入门级编程工具市场(在相当长的一段时间内VB都不是Delphi的对手,可以参见本人的另一片随笔《Borland和Microsoft的对话》,这直接导致了C#的诞生——C#——一种C++、Java、Object Pascal的到的混血儿),凭借自己在BASIC用户上的积累,在RAD领域混得不错了,微软又趁热打铁的推出了VBS/VBE、VBA等等脚本语言,目的就是拉拢自己的VB用户,使这种糟糕的语言能够勉勉强强适应系统GUI编程、办公套件编程、数据库编程,好了现在形成了一个有机的整体。一个程序员要么学多种语言来完成不同的任务,要么学一种不够好但够用的语言——然后,一招鲜,吃遍天……学习一种语言的成本是很高的(要时间和电费),所以有很多程序员会选择微软的这一标准。还有近几年大红的Object-C、Swift、Go,虽然名义上是开源的,但是谁知道他们的真正目的?除此之外,还有很多DSL(Domain-Specific Language,专业领域语言),比如sed和awk是为了处理文本,PHP是为了处理Web开发、Emacs Lisp和Vim脚本是为了扩展编辑器功能,tScript是为了排版,batch和各种shell script是为了shell编程等等。这里介绍一个典型:Adobe的ActionScript,它的作用就是为了支持Adobe自己的Flash,主要用于Flas和应用程序,不论ActionScript语言自身发展的多好不过是一个扩展罢了

根据冯·诺依曼思想,计算机采用二进制作为数制基础,必须包含:运算器、控制器、存储设备,以及输入输出设备,如下图所示。
程序设计的5个底层逻辑,决定你能走多快
我们先来分析 CPU 的工作原理,现代 CPU 芯片中大都集成了,控制单元,运算单元,存储单元。控制单元是 CPU 的控制中心, CPU 需要通过它才知道下一步做什么,也就是执行什么指令,控制单元又包含:指令寄存器(IR ),指令译码器( ID )和操作控制器( OC )。
当程序被加载进内存后,指令就在内存中了,这个时候说的内存是独立于 CPU 外的主存设备,也就是 PC 机中的内存条,指令指针寄存器IP 指向内存中下一条待执行指令的地址,控制单元根据 IP寄存器的指向,将主存中的指令装载到指令寄存器。
这个指令寄存器也是一个存储设备,不过他集成在 CPU 内部,指令从主存到达 CPU 后只是一串 010101 的二进制串,还需要通过译码器解码,分析出操作码是什么,操作数在哪,之后就是具体的运算单元进行算术运算(加减乘除),逻辑运算(比较,位移)。而 CPU 指令执行过程大致为:取址(去主存获取指令放到寄存器),译码(从主存获取操作数放入高速缓存 L1 ),执行(运算)。
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这里解释下上图中 CPU 内部集成的存储单元 SRAM ,正好和主存中的 DRAM 对应, RAM 是随机访问内存,就是给一个地址就能访问到数据,而磁盘这种存储媒介必须顺序访问,而 RAM 又分为动态和静态两种,静态 RAM 由于集成度较低,一般容量小,速度快,而动态 RAM 集成度较高,主要通过给电容充电和放电实现,速度没有静态 RAM 快,所以一般将动态 RAM 做为主存,而静态 RAM 作为 CPU 和主存之间的高速缓存 (cache),用来屏蔽 CPU 和主存速度上的差异,也就是我们经常看到的 L1 , L2 缓存。每一级别缓存速度变低,容量变大。
下图展示了存储器的层次化架构,以及 CPU 访问主存的过程,这里有两个知识点,一个是多级缓存之间为保证数据的一致性,而推出的缓存一致性协议,具体可以参考这篇文章,另外一个知识点是, cache 和主存的映射,首先要明确的是 cah 缓存的单位是缓存行,对应主存中的一个内存块,并不是一个变量,这个主要是因为 CPU 访问的空间局限性:被访问的某个存储单元,在一个较短时间内,很有可能再次被访问到,以及空间局限性:被访问的某个存储单元,在较短时间内,他的相邻存储单元也会被访问到。
而映射方式有很多种,类似于 cache 行号 = 主存块号 mod cache总行数 ,这样每次获取到一个主存地址,根据这个地址计算出在主存中的块号就可以计算出在 cache 中的行号。
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下面我们接着聊 CPU 的指令执行。取址、译码、执行,这是一个指令的执行过程,所有指令都会严格按照这个顺序执行。但是多个指令之间其实是可以并行的,对于单核 CPU 来说,同一时刻只能有一条指令能够占有执行单元运行。这里说的执行是 CPU 指令处理 (取指,译码,执行) 三步骤中的第三步,也就是运算单元的计算任务。
所以为了提升 CPU 的指令处理速度,所以需要保证运算单元在执行前的准备工作都完成,这样运算单元就可以一直处于运算中,而刚刚的串行流程中,取指,解码的时候运算单元是空闲的,而且取指和解码如果没有命中高速缓存还需要从主存取,而主存的速度和 CPU 不在一个级别上,所以指令流水线 可以大大提高 CPU 的处理速度,下图是一个流水线的示例图,而现在的奔腾 CPU 都是32级流水线,具体做法就是将上面三个流程拆分的更细。
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除了指令流水线, CPU 还有分支预测,乱序执行等优化速度的手段。好了,我们回到正题,一行 Java 代码是怎么执行的?
一行代码能够执行,必须要有可以执行的上下文环境,包括:指令寄存器、数据寄存器、栈空间等内存资源,然后这行代码必须作为一个执行流能够作系统的任务调度器识别,并给他分配 CPU 资源,当然这行代码所代表的指令必须是 CPU 可以解码识别的,所以一行 Java 代码必须被解释成对应的 CPU 指令才能执行。下面我们看下System.out.println("Hello world")这行代码的转译过程。
Java 是一门高级语言,这类语言不能直接运行在硬件上,必须运行在能够识别 Java 语言特性的虚拟机上,而 Java 代码必须通过 Java 编译器将其转换成虚拟机所能识别的指令序列,也称为 Java 字节码,之所以称为字节码是因为 Java 字节码的操作指令(OpCode)被固定为一个字节,以下为 System.out.println("Hello world") 编译后的字节码:
0x00: b2 00 02 getstatic Java .lang.System.out
0x03: 12 03 ldc "Hello, World!"
0x05: b6 00 04 invokevirtual Java .io.PrintStream.println
0x08: b1 return
左列是偏移;中间列是给虚拟机读的字节码;右列是高级语言的代码,下面是通过汇编语言转换成的机器指令,中间是机器码,第三列为对应的机器指令,后一列是对应的汇编代码:
0x00: 55 push rbp
0x01: 48 89 e5 mov rbp,rsp
0x04: 48 83 ec 10 sub rsp,0x10
0x08: 48 8d 3d 3b 00 00 00 lea rdi,[rip+0x3b]
; 加载 "Hello, World!\n"
0x0f: c7 45 fc 00 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
0x16: b0 00 mov al,0x0
0x18: e8 0d 00 00 00 call 0x12
; 调用 printf 方法
0x1d: 31 c9 xor ecx,ecx
0x1f: 89 45 f8 mov DWORD PTR [rbp-0x8],eax
0x22: 89 c8 mov eax,ecx
0x24: 48 83 c4 10 add rsp,0x10
0x28: 5d pop rbp
0x29: c3 ret
JVM 通过类加载器加载 class 文件里的字节码后,会通过解释器解释成汇编指令,终再转译成 CPU 可以识别的机器指令,解释器是软件来实现的,主要是为了实现同一份 Java 字节码可以在不同的硬件平台上运行,而将汇编指令转换成机器指令由硬件直接实现,这一步速度是很快的,当然 JVM 为了提高运行效率也可以将某些热点代码(一个方法内的代码)一次全部编译成机器指令后然后在执行,也就是和解释执行对应的即时编译(JIT), JVM 启动的时候可以通过 -Xint 和 -Xcomp 来控制执行模式。
从软件层面上, class 文件被加载进虚拟机后,类信息会存放在方法区,在实际运行的时候会执行方法区中的代码,在 JVM 中所有的线程共享堆内存和方法区,而每个线程有自己独立的 Java 方法栈,本地方法栈(面向 native 方法),PC寄存器(存放线程执行位置),当调用一个方法的时候, Java 虚拟机会在当前线程对应的方法栈中压入一个栈帧,用来存放 Java 字节码操作数以及局部变量,这个方法执行完会弹出栈帧,一个线程会连续执行多个方法,对应不同的栈帧的压入和弹出,压入栈帧后就是 JVM 解释执行的过程了。
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中断
刚刚说到, CPU 只要一上电就像一个永动机, 不停的取指令,运算,周而复始,而中断便是操作系统的灵魂,故名思议,中断就是打断 CPU 的执行过程,转而去做点别的。
例如系统执行期间发生了致命错误,需要结束执行,例如用户程序调用了一个系统调用的方法,例如mmp等,就会通过中断让 CPU 切换上下文,转到内核空间,例如一个等待用户输入的程序正在阻塞,而当用户通过键盘完成输入,内核数据已经准备好后,就会发一个中断信号,唤醒用户程序把数据从内核取走,不然内核可能会数据溢出,当磁盘报了一个致命异常,也会通过中断通知 CPU ,定时器完成时钟滴答也会发时钟中断通知 CPU 。
中断的种类,我们这里就不做细分了,中断有点类似于我们经常说的驱动编程,而这个通知机制是怎么实现的呢,硬件中断的实现通过一个导线和 CPU 相连来传输中断信号,软件上会有特定的指令,例如执行系统调用创建线程的指令,而 CPU 每执行完一个指令,就会检查中断寄存器中是否有中断,如果有就取出然后执行该中断对应的处理程序。
陷入内核 : 我们在设计软件的时候,会考虑程序上下文切换的频率,频率太高肯定会影响程序执行性能,而陷入内核是针对 CPU 而言的, CPU 的执行从用户态转向内核态,以前是用户程序在使用 CPU ,现在是内核程序在使用 CPU ,这种切换是通过系统调用产生的。
系统调用是执行操作系统底层的程序,Linux的设计者,为了保护操作系统,将进程的执行状态用内核态和用户态分开,同一个进程中,内核和用户共享同一个地址空间,一般 4G 的虚拟地址,其中 1G 给内核态, 3G 给用户态。在程序设计的时候我们要尽量减少用户态到内核态的切换,例如创建线程是一个系统调用,所以我们有了线程池的实现。

好 了,已经介绍完了实用目的、学术目的、商业及特殊需要,相信各位对“为什么会有这么多种程序设计语言”这个问题有了更深刻的理解,也可能有了更多的疑惑。 如果你有任何疑惑或者愿意和我交流,欢迎留言。对了,除了我说的三个目的之外还有没有别的创造新语言的原因?有,我自己设计了一种名为Grove的语言,用“树”来完成过程编程和lambda表达式,改天把解释器的发出来交流一下。我的目的呢?Just for fun…
不要想你能为做什么,想想你该为做什么!
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