思考一个问题，如何将我们日常工作中写的代码让计算机识别并执行？

首先明确一个问题，计算机通常是不能够直接“读懂”我们所写的代码，那么就需要我们把代码翻译一遍，变成计算机可以识别的代码，那么这个翻译的过程叫做编译。

编程语言的发展

  • 汇编，计算机底层语言，命令式写法，如MOV、JUMP等
  • 高级语言，对底层的封装，利于构造复杂的业务逻辑，如C、Java等

编译原理

以C语言为例，C语言编译器可以将繁琐复杂的程序转换为机器语言, 编译器需要了解语法构成原理。

  • 词法分析：全文扫描进行标记、删除注释等操
  • 语义分析：明确代码含义并转换为中间语言（介于机器语言和源程序）
  • 语法分析：根据C语言的设计规则，作语法分析，拆解变量、函数、表达式、判断等

CPU执行原理

一个有意思的现象，我们都知道光速很快 3×10^8 米每秒，1Ghz=每秒10亿次脉冲，那么一次时钟周期就是1/10 亿秒，光可以走大约30cm。

什么意思呢？由上可知，CPU运算、指令执行需要和其他模块通信，离得越近越好，否则必然带来延迟。所以就可以将全部模块都集成到一个CPU上面么？当然不行！一切都基于电子元件，电子元件工作就会发热，那么最需要解决的就是散热。所以我们取一个折中方案，存储器分级策略，将存储器使用频和距离CPU远近负相关。具体的分级策略按照离CPU由近到远的顺序如下：
image.png
所以离CPU越近，执行效率越高，并且满足向下存储/查找（key-value），即当寄存器没有值时，会顺序连续查找，所以对于连续数据的读写，CPU可以同时操作多个连续的内存地址。

因为无论上面存储器都有存储大小限制，那么思考一下假如寄存器、L1-Cache没有空间了，计算机会如何应对？

这里介绍两个概念：

  • 命中率，从寄存器一直到缓存L3，读写数据的命中率，一般在95%以上，只有5%会穿透到内存中
  • 置换，如果当L1-Cache已满，仍要再L1-Cache中增加数据，那么多余的数据如何置换问题