计算机的本质

• 人们使用计算机的初衷就是快，能够比人做的更快。
• 计算机的本质是利用了光速，已知世界中光速最快，其实质是利用了通电后磁场建立的速度，也就是光速
• 人们采用了最简单的方式去利用光速，那就是二进制
• 二进制的本质就是通电和断电，用0和1表示，现实中是利用高电位和低电位标识0和1，毕竟断电了就无法构建磁场了

闲谈扩展：

• 据说高维空间（大于三维空间）光速会更快，也就是说高维空间的计算机速度更快，更有无限可能，但空间维度理论是否合理还存在争论
• 改变利用光速的方式，可以提高效率，比如使用其他进位制，而非二进制

对于如何利用光速来制作机器（也就是计算机），历史上前辈们给出了无数答案，最终胜出的是冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制，计算机应该按照顺序执行程序。
如图1-1所示，冯·诺依曼定义了计算机的三大组成部件：

• I/O设备：负责数据和程序的输入输出
• 存储器：存储程序和数据
• 处理器：分成运算器和控制器，运算器负责数据的加工处理，控制器控制程序的逻辑

计算机科学的历史就是一直围绕着这三大部件，从硬件革命到软件革命的发展史。从软件革命的历史来看，计算机科学一直围绕着数据、逻辑和界面三大部分演变，数据对应着存储器、逻辑对应着处理器、界面对应着I/O设备。

软件和硬件

聪明的人们把计算机分成了两大部门，硬件和软件

• 硬件：提供运算的载体，本质是提供了光速运行通路，是物理的，一旦生产成功是不变的
• 软件：提供运算的方式或模型，本质是规定了光速的运行方式或运行路径，是逻辑的，可以随时改变

有意思的是硬件就像是人的躯体，软件就像是人的思维

这样硬件其实是限制了运行速度，软件提供了无限可能，变与不变之间构成了一种哲学美。

软件的本质

软件=算法+数据
描述算法的载体叫做编程语言
编程语言按对人类语言的友好程度依次分为：

1. 机器指令：就是0和1
2. 汇编语言：对机器指令的抽象
3. 面向过程语言：对汇编语言的抽象，最具代表性的是c语言
4. 面向对象语言：用人类的视角看世界，把万事万物理解为对象和对象的联系，最具有代表性的语言是Java语言
5. 汇编语言和机器指令被成为低级语言，其他语言被成为高级语言

数据在计算机中都是0和1的存在，按结构形式可以分为两类：结构化数据和非结构化数据
结构化数据：

• 文本
• 电话号码
• 邮箱
• 表格
• JSON
• HTML
• ……

非结构化数据：

• 视频
• 音频
• 图片
• ……

有意思的是，算法就像是人的思维模型，数据就像是思维的产物，知识。

汇编语言对冯·诺依曼结构的抽象

汇编语言是对冯·诺依曼结构最为直接的抽象，在汇编语言中只有三种操作对象：寄存器、存储器和I/O设备。
寄存器是处理器的主要组成部分，这些寄存器分别承担着运算器和控制器的角色，比如指令寄存器(IR，InstructionRegister)和段寄存器 (SR，Segment Register)负责程序的逻辑处理，而累加寄存器(AR，Accumulator Register)则负责程序的运算。
汇编就是对0和1机器指令进行了封装和抽象，定义了一组常用的操作，并用命令代替。

面向过程语言对冯·诺依曼结构的抽象

在计算机科学的发展史上，计算机软件科学的发展围绕着这样一个趋势：如何对数据、逻辑和界面进行更深层次的抽象，使得人类可以更方便的控制存储器、处理器和I/O设备，从而极大的提供人类的生产效率。C语言是对冯·诺依曼体系结构的最高层次的抽象，C语言让程序员可以从容的控制存储器、处理器和I/O设备。
C语言从数学层面，把汇编语言进一步封装和抽象，利用数学这一工具，提供面向过程的编程方式。
其核心思想是，过程和函数。把事情分解成多个步骤，即一个过程，每个步骤用一个函数代替，函数只关注输入和输出。

面向对象语言对冯·诺依曼结构的抽象

由于现实中的问题太复杂了，有些问题完全按过程拆分，超出了人脑的极限，于是，人类视角看待世界的方式——面向对象语言出现了。
面向对象就是把万事万物看成一个又一个的对象，世界上只存在对象和对象之间的联系，用类和方法来表示，同时定义了对象的继承、封装等等概念。
面向对象最为代表性的语言是C++和Java，C++是对C的扩展，在C的基础上提供了面向对象的能力，C++兼具面向过程和面向对象两种编程思想，但是C++的语法糖过于复杂，对程序员的要求极高。后人设计了Java简化了C++的语法糖，提高了安全性。

最大的软件是操作系统

由于硬件是一堆通电了的机器，想让他按照人类的想法运作还是比较麻烦的，一种好的方式是提供操作系统。
操作系统是一个管理者，它管理硬件，并虚拟出一个友好的用户界面，为人类提供服务。
操作系统的发展史：

1. 命令行模式，比如Doc，Unix，Linux等
2. 图形界面模式：比如MacOS，Windows，Android，IOS等

   C语言的天下

   由于所有的操作系统都是C语言编写的，故当下是C语言的天下。几乎所有的语言语法都继承了C的语法，几乎完全一致，故C语言是必学语言。

软件的分类

• 最底层的是操作系统软件
• 然后是基础软件，如：数据库，编译器，中间件等等
• 然后是应用软件，我们平时使用的多是应用软件
• 现在应用软件上又出现了小程序

应用软件按行业又分为：

• 特殊行业软件，如：医疗，汽车，航天，卫星等等
• 大众行业软件，如，office，微信，支付宝等等

应用软件按架构可以分为：

• C/S架构：客户端/服务器软件
• B/S架构：浏览器/服务器软件

90%的程序员从事B/S架构的应用软件开发。

常用的高级语言

• C++：目前多用于底层开发或嵌入式开发，如编译器，数据库，操作系统，游戏引擎或嵌入式软件开发
• Java：世界上使用人员最多的后端编程语言，几乎覆盖了所有使用场景，首屈一指的编程语言，涵盖桌面、服务端、移动端、大数据等多个场景，是国内企业的首选
• js：浏览器唯一运行语言，这个绝对是世界上使用人数最多的编程语言，覆盖了前端100%的场景（浏览器，App，物联网等等），值得一提的是nodejs的出现让支持后端编程成为了可能。
• go：分布式系统开发，尤其是云计算，可以比C++节省6倍的代码，分布式系统开发占有绝对地位
• python：脚本语言的代表，在数据处理，人工智能行业具有代表性
• 其他不多介绍，常用编程语言至少50种，世界上编程语言不少于两千种。