計算機(jī)的歷史

算盤和機(jī)械計算機(jī)

有很多民族自豪感爆棚的兄弟會把算盤當(dāng)成計算機(jī)的起源，還有爆破天的兄弟會把陰陽當(dāng)成二進(jìn)制0和1的起源擒滑，我覺得這件事兒就有點兒不靠譜了

如果非要追究計算機(jī)的鼻祖挽唉，那就得講講17世紀(jì)前歐洲的故事牛哺，最早的計算機(jī)其實是計算器蟆豫，就是算數(shù)用的，在歐洲工業(yè)工業(yè)革命的時候，大量的工業(yè)模具需要計算世杀，歐洲又沒有中國傳統(tǒng)的計算器 - 算盤礁叔，就催生了很多科學(xué)家發(fā)明自己的計算器（對庐船，就是計算器，就是以前菜市場還在使用的那種，還不能稱之為現(xiàn)在的計算機(jī)），這其中有個NB的人物龄糊，這個人叫布萊士帕斯卡，我們的壓強(qiáng)單位（帕募疮，千帕炫惩，百帕，兆帕）等等阿浓，就是以這哥們兒的名字命名他嚷，還有，計算機(jī)語言里面有一種叫做Pascal，就是為了紀(jì)念他爸舒。

就是這么個NB的人物，發(fā)明了最早的機(jī)械計算器稿蹲，長這樣兒：

經(jīng)過后人的逐步改進(jìn)扭勉，機(jī)械計算機(jī)的最后發(fā)展堪稱精美，有長這樣兒的：

還有長成這樣兒的：

還有更NB的：

機(jī)械計算機(jī)改進(jìn)者中有個人值得一提苛聘，他就是德國百科全書式的天才涂炎，17世紀(jì)的亞里士多德 -- 萊布尼茨！

萊伯尼茲這個人又是個大牛设哗，他既懂物理又懂?dāng)?shù)學(xué)（物理數(shù)學(xué)不分家）唱捣，著名的微積分基本定理，牛頓萊布尼茨公式网梢，就是萊布尼茨發(fā)明的震缭，當(dāng)然這里面是牛頓跟萊布尼茨或者說英國跟歐洲大陸的恩怨情仇。簡單說战虏，萊布尼茨發(fā)表論文創(chuàng)立微積分公式拣宰，牛頓當(dāng)時是英國皇家學(xué)會的老大，話語權(quán)影響力比較大烦感。牛頓說萊布尼茨發(fā)表的公式是參考了牛頓三年前的筆記巡社，萊布尼茨嗓門不夠響，爭不過牛頓手趣，所以沒有辦法晌该，后人就把這個公式稱為牛頓萊布尼茨公式。

一個人想在社會取得回報或者想發(fā)揮巨大作用绿渣，就必須要明白這個社會的運(yùn)行機(jī)制朝群，通過這件事兒，大家應(yīng)該明白話語權(quán)的（傳媒怯晕、筆桿子）重要性潜圃，如果還不能理解，參考美國把上個世紀(jì)的美國病毒命名為西班牙病毒這件事兒舟茶，當(dāng)然最近又想把新冠病毒扣在我們腦袋上谭期，就是因為他把控了話語權(quán)。衍生出來你應(yīng)該明白的是吧凉，歷史是個任人打扮的小姑娘隧出，你看到的，你聽到的阀捅，都是別人想讓你看到和聽到的胀瞪，所以你要進(jìn)行深度的思考，他是誰？為什么這么說凄诞？他說的是真的嗎圆雁？對我有沒有什么企圖？多問自己幾個為什么帆谍，你會慢慢從白癡成為智者伪朽。

扯遠(yuǎn)了，還說回來萊布尼茨汛蝙，他除了改進(jìn)機(jī)械計算機(jī)以外烈涮，還有一個重要的發(fā)明，那就是大名鼎鼎的二進(jìn)制＝呀！（這里終于跟現(xiàn)代IT技術(shù)關(guān)聯(lián)起來了）據(jù)說二進(jìn)制的發(fā)明是參考中國古代的陰陽太極圖而創(chuàng)作出來的坚洽，對此，我覺得倒是真的有可能西土。因為萊布尼茨有一本著名的著作讶舰，叫做《論中國人的自然哲學(xué)》，說明這個人對中國是有研究的翠储。而且绘雁，他發(fā)明了二進(jìn)制以后，還通知了當(dāng)時的康熙大帝援所，因為他認(rèn)為康熙大帝是個數(shù)學(xué)迷（對此我深表懷疑）庐舟。

當(dāng)然，機(jī)械計算機(jī)又大又笨重住拭，早就被現(xiàn)代的電子計算機(jī)所取代挪略，不過說句題外話，機(jī)械計算機(jī)也有電子計算機(jī)所不具備的優(yōu)點滔岳，就是結(jié)實耐用杠娱，幾百年都不壞，而且谱煤，還不用電 摊求，誰要是大學(xué)食堂里面打飯收費(fèi)做計算的時候來這么一臺，那絕對是學(xué)妹眼中最酷的仔刘离！

順便也來一張現(xiàn)代電子計算機(jī)的鼻祖（當(dāng)然室叉，第一臺電子計算機(jī)這件事兒也是見仁見智，美國嗓門大硫惕，所以現(xiàn)在資料大多認(rèn)為1946誕生于美國賓夕法尼亞大學(xué)的“ENIAC”是世界上第一臺電子計算機(jī)）茧痕，它長這樣兒：

這是個龐然大物，它大概占地一個別墅恼除，跟一輛前蘇聯(lián)虎式坦克一樣重踪旷，每個小時耗電150度，但是，每秒鐘的計算量僅區(qū)區(qū)的5000次令野，要知道現(xiàn)在手機(jī)上的芯片的計算速度可以達(dá)到每秒10 0000 0000 0000次舀患。不過就是這樣一臺還比上菜市場計算器的東西，開啟了20世紀(jì)最NB的數(shù)字化革命气破！從此之后构舟，計算機(jī)行業(yè)飛速發(fā)展，造就了現(xiàn)在所謂的信息化大革命堵幽。

嚴(yán)格講，這臺機(jī)器應(yīng)該稱作電子管計算機(jī)弹澎，因為朴下，這里面用的零件全部都是電子管，電子管如果開關(guān)的速度太快苦蒿，很容易就會壞掉殴胧，據(jù)說這臺機(jī)器每天都會有電子管冒煙兒，工程師在尋找和修復(fù)每一個電子管中疲于奔命佩迟，想象一天24小時团滥，計算時間僅有半小時，剩下的23個半小時都是在尋找和修復(fù)壞掉的點报强，這是多么讓人抓狂的一件事灸姊。如果你不能理解這件事兒，想象一下一個燈泡每秒不停地開關(guān)5000次秉溉，它會不會壞掉力惯。而且，電子管還有很嚴(yán)重的發(fā)熱問題召嘶，需要把風(fēng)扇進(jìn)行緊密的排布父晶，這也是一個工藝難題。

不過弄跌，幸運(yùn)的是甲喝，在這臺又笨重毛病又多的計算機(jī)問世的第二年，也就是1947年铛只，美國貝爾實驗室研究發(fā)明了晶體管埠胖，和電子管相比，晶體管體積又小格仲，耗電還低押袍，最重要每秒開關(guān)幾十萬上億次都不帶壞的，從這一刻開始凯肋，計算機(jī)革命才真正的進(jìn)入了突飛猛進(jìn)的時代谊惭。

這堂課，我們要講的就是計算機(jī)的原理。

CPU的原理

為什么講線程要講CPU圈盔？因為線程和CPU有一對一的對應(yīng)關(guān)系１尽（超線程除外）

當(dāng)然，現(xiàn)代的計算機(jī)的核心驱敲，也就是芯片铁蹈，是由10 0000 0000 零件構(gòu)成，我沒有辦法帶你走遍這里面的每一個細(xì)節(jié)众眨，不過握牧，作為高級語言的程序員，我會帶你走到足夠深的深度娩梨，讓你能夠深入理解你寫的每一行代碼到底在計算機(jī)內(nèi)部是怎么轉(zhuǎn)換成電信號沿腰，從而被精密執(zhí)行的。這一點很重要狈定，因為這會給你帶來“通透感”（原諒我找不到更好的形容詞颂龙，現(xiàn)在很多程序員是沒有經(jīng)過科班訓(xùn)練的，是根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行速成的纽什，對這樣的小伙伴兒來說措嵌，你寫的代碼雖然可以工作，但是它對你是一個黑盒子芦缰，你看不到代碼背后的一切企巢，從而也就無法進(jìn)行更深入的理解和更準(zhǔn)確的調(diào)優(yōu)，總之让蕾，我個人非常喜歡這種通透感包斑，我不喜歡一個技術(shù)對我來說是黑盒，是秘密涕俗，希望你也能理解和享受這種通透感）

好吧罗丰，讓我們揭開代碼背后的神秘世界吧。

還要從一個故事談起再姑。

我小時候最喜歡的女同學(xué)叫小芳萌抵，長得好看又善良，我們倆情投意合元镀，每天放學(xué)后都約會共同進(jìn)步绍填，童年的時候山青水白，鳥語花香栖疑，環(huán)境特別好讨永，我們的年紀(jì)都很小，我愛談天她愛笑遇革，有一回并肩坐在桃樹下卿闹，風(fēng)在林梢鳥在叫揭糕，不知怎么就睡著了，夢里花落知多少...

不要打斷我锻霎，讓我陷在美好的回憶中不可自拔一會兒著角。

只不過后來大人發(fā)現(xiàn)了我們的聯(lián)系，用他們自帶的污穢的思想旋恼，認(rèn)為我們的關(guān)系是污穢的吏口，是不純潔的，我們當(dāng)時還沒有羅密歐與朱麗葉冰更，梁山伯與祝英臺這樣的覺悟产徊，不懂得以死相爭，所以就被雙方家長棒打鴛鴦蜀细，各自關(guān)了禁閉囚痴。

不過這個難不倒剛剛學(xué)了電學(xué)的我，我們就設(shè)立了這樣入門級別的電路：

我還發(fā)明了燈泡語言：

亮亮 = 放

亮滅 = 學(xué)

滅亮 = 等

滅滅 = 我

當(dāng)然你會發(fā)現(xiàn)如果只有兩個信號的組合审葬，就最多表示四個字，如果想溝通更順暢奕谭，我只要增加信號的組合長度就可以了涣觉，比如三個信號，我就可以表示八個字

亮亮亮 = 放

亮亮滅 = 學(xué)

亮滅亮 = 等

亮滅滅 = 我

滅滅亮 = 一

滅滅滅 = 起

滅亮滅 = 電

滅亮亮 = 影

如果想交流的更加復(fù)雜血柳，我可以增加更長的信號組合官册，比如我如果用16個長度的信號，就可以表示2^16個漢字难捌，這個數(shù)字是65536膝宁，要知道，我們?nèi)粘５臐h字常用的話也就4000個左右根吁，整個康熙字典的總字?jǐn)?shù)也僅僅47000個员淫，我用燈泡信號的長度僅需要16個信號長，就足矣涵蓋中文的交流了击敌。

思考題：如果僅需要覆蓋日常交流（4000個漢字）介返，我需要的信號組合的長度至少是多少？

燈泡語言有些復(fù)雜沃斤，我結(jié)合萊布尼茨的二進(jìn)制圣蝎，用1來代表燈泡亮（通電），用0來代表燈泡滅（斷電）衡瓶，這樣我和小芳就有了自己的通信語言徘公，比如下面這句話，你猜我說了什么哮针？

111 110 001 000 = (? )把答案寫到括號里关面。

話說到這里坦袍，不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn)，我發(fā)明了一種漢字編碼缭裆，就是把特定的漢字用0和1的組合表示出來键闺，注意，漢字的編碼并不是只有一種方式澈驼，完全有可能發(fā)生的是辛燥，在一種的編碼方式中，111代表'我'缝其，而在另外一種編碼方式中111代表'中'挎塌，如果我們在解析一段編碼的用錯了編碼格式，就會出現(xiàn)平時經(jīng)常遇見的'亂碼'問題内边。

思考題：A編碼中榴都，111 = 我 110 = 你，B編碼中 111 = 沙 110 = 雕漠其，那么下面這段話究竟代表什么呢嘴高？

110 111 110

再有了第一個電路的基礎(chǔ)之上，我有設(shè)計了下面的電路：

這里就有了輸入和輸出的概念了

輸入1輸入2輸出

000

010

100

111

可以用這樣的符號表示：

也可以有這樣的電路：

加法器

輸入1輸入2加和輸出進(jìn)位輸出

0000

0110

1010

1101

時鐘

ram 保存信號

程序 - 自動化（時鐘信號 +

薦書

《編碼 隱匿在計算機(jī)軟硬件背后的語言》《Code: The Hidden Language of Computer Hardware and Software》

程序的執(zhí)行

進(jìn)程與線程

一個程序和屎，讀入內(nèi)存拴驮，全是0和1構(gòu)成

從內(nèi)存讀入到CPU計算，這個時候要通過總線

怎么區(qū)分一段01的數(shù)據(jù)到底是數(shù)據(jù)還是指令柴信？

總線分類為三種：控制線 地址線 數(shù)據(jù)線

一個程序的執(zhí)行套啤，首先把可執(zhí)行文件放到內(nèi)存，找到起始（main)的地址随常，逐步讀出指令和數(shù)據(jù)潜沦，進(jìn)行計算并寫回到內(nèi)存。

什么是進(jìn)程绪氛？什么是線程唆鸡？

一個程序進(jìn)入內(nèi)存，被稱之為進(jìn)程枣察？一個QQ.exe可以運(yùn)行多份兒嗎喇闸？

同一個進(jìn)程內(nèi)部：有多個任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的需求（比如，一邊計算询件，一邊接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)燃乍，一邊刷新界面）

能不能用多進(jìn)程？可以宛琅，但是毛病多刻蟹，最嚴(yán)重的毛病是，我可以很輕易的搞死別的進(jìn)程

線程的概念橫空出世：共享空間嘿辟，不共享計算

進(jìn)程是靜態(tài)的概念：程序進(jìn)入內(nèi)存舆瘪，分配對應(yīng)資源：內(nèi)存空間片效，進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)存，同時產(chǎn)生一個主線程

線程是動態(tài)的概念：是可執(zhí)行的計算單元（任務(wù)）

一個ALU同一個時間只能執(zhí)行一個線程

同一段代碼為什么可以被多個線程執(zhí)行英古？

線程的切換

保存上下文淀衣，保存現(xiàn)場

問題：是不是線程數(shù)量越多，執(zhí)行效率越高召调？（初級）

展開：調(diào)度算法怎么選膨桥？（難）

問題：單核CPU多線程執(zhí)行有沒有意義？（初級）

問題：對于一個程序唠叛，設(shè)置多少個線程合適只嚣？（線程池設(shè)定多少核心線程？）（中高級）

線程調(diào)度器算法（平均時間片艺沼、CFS（考慮權(quán)重））

CPU的并發(fā)控制

關(guān)中斷

緩存一致性協(xié)議

CPU的速度和內(nèi)存的速度（100 ：1）

這里的速度值得是ALU訪問寄存器的速度比訪問內(nèi)存的速度快100倍

為了充分利用CPU的計算能力册舞，在CPU和內(nèi)存中間引入緩存的概念（工業(yè)上的妥協(xié)，考慮性價比）

現(xiàn)在的工業(yè)實踐障般，多采用三級緩存的架構(gòu)

緩存行：一次性讀取的數(shù)據(jù)塊

程序的局部性原理：空間局部性 時間局部性

如果緩存行大：命中率高调鲸，但讀取效率低。如果緩存行型斓础：命中率低藐石，但讀取效率高。

工業(yè)實踐的妥協(xié)結(jié)果徐伐，目前(2021）的計算機(jī)多采用64bytes （64 * 8bit）為一行

由于緩存行的存在，我們必須有一種機(jī)制募狂，來保證緩存數(shù)據(jù)的一致性办素，這種機(jī)制被稱為緩存一致性協(xié)議。

系統(tǒng)屏障

程序真的是按照“順序”執(zhí)行的嗎祸穷？

CPU的亂序執(zhí)行

Disorder這個程序性穿，證明亂序執(zhí)行的確存在

為什么會亂序？主要是為了提高效率（在等待費(fèi)時的指令執(zhí)行的時候雷滚，優(yōu)先執(zhí)行后面的指令）

線程的as-if-serial

單個線程需曾，兩條語句，未必是按順序執(zhí)行

單線程的重排序祈远，必須保證最終一致性

as-if-serial：看上去像是序列化（單線程）

會產(chǎn)生的后果

多線程會產(chǎn)生不希望看到的結(jié)果

ThisEscape（this 溢出問題）

推薦《Effective Java》- 不要在構(gòu)造方法中啟動線程呆万！

哪些指令可以互換順序

hanppens-before原則（JVM規(guī)定重排序必須遵守的規(guī)則）

JLS17.4.5 （不需要記住）

?程序次序規(guī)則：同一個線程內(nèi)车份，按照代碼出現(xiàn)的順序谋减，前面的代碼先行于后面的代碼，準(zhǔn)確的說是控制流順序扫沼，因為要考慮到分支和循環(huán)結(jié)構(gòu)出爹。

?管程鎖定規(guī)則：一個unlock操作先行發(fā)生于后面（時間上）對同一個鎖的lock操作庄吼。

?volatile變量規(guī)則：對一個volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面（時間上）對這個變量的讀操作。

?線程啟動規(guī)則：Thread的start( )方法先行發(fā)生于這個線程的每一個操作严就。

?線程終止規(guī)則：線程的所有操作都先行于此線程的終止檢測总寻。可以通過Thread.join( )方法結(jié)束梢为、Thread.isAlive( )的返回值等手段檢測線程的終止渐行。

?線程中斷規(guī)則：對線程interrupt( )方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生，可以通過Thread.interrupt( )方法檢測線程是否中斷

?對象終結(jié)規(guī)則：一個對象的初始化完成先行于發(fā)生它的finalize()方法的開始抖誉。

?傳遞性：如果操作A先行于操作B殊轴，操作B先行于操作C，那么操作A先行于操作C