第一章基本概念

前言

这一章或许会比较枯燥，想直接实际操作C++编码的可以直接跳过。此文章有许多个人心得，非原则性的说法见谅，如有常识性的错误，欢迎提出。

1.计算机与二进制

众所周知，计算机和数学密切相关，属于一门科学。如物理、生物和化学一样，通过逻辑定义来解释世间的事物。就说物体的运动规律吧，前有亚里士多德提出“力是物体运动的原因”，后有牛顿提出“力是改变物体运动的原因”，再有爱因斯坦说“世界不存在力，质量造成时空弯曲，从而形成了物体的运动轨迹”。所以计算机实际是一种，以二进制为基础形成的逻辑方式。计算机所显示的图像、音频、文本，皆是由二进制所表示；数据通过电线传输通过电信号的高低形成了二进制序列；数据在硬盘上存储也是通过改变磁碟的磁性来实现的，最终识别磁性转化为二进制序列。所以对计算机和二进制的理解，是非常重要的，或许在C语言老师讲的时候并不会认识到这一点是多么的基础和重要。

所谓进制就是表示数字的方法，满几进一位。比如常用的十进制，也就日常生活用到的，0-9来表示数字，如果人有12个手指，或者能够很方便的使用脚趾，可能现在使用的就是12进制或者20进制。计算机的基础是二进制，也就是只有0和1两个数字。之所以采用二进制，是由于电路便于识别高低电平，半导体的硬件特性可以组合形成逻辑运算。比如代码中的逻辑与、逻辑或、逻辑非运算，在电路中可以用晶体管组合形成，玩过《我的世界》的同学应该知道在游戏里面可以通过红石电路实现简单的数值计算。现在的CPU集成的晶体管数量已经在100亿的数量级了，所以额外说一句，在代码中纠结一个加法和乘法的效率区别，对于新手来说是没有必要的，反而是错误的。

下面来计算一下几个常用的值，1位二进制可以表示0或1，也就是1位二进制可以表示2个值。如果我们要表示2这个数字，就必须进一位，用两位二进制表示，也就是10。所以表示3的二进制为11，表示4的二进制为100。那么不难得出二进制位数和可表示值的数量关系：

$N=2^n$

其中N为可表示值的范围，n为二进制的位数。那么8位二进制可表示的值数量为2的8次方，也就是256。由于0占一个位置，所以8位二进制表示从0开始的数字，就可以表示[0,255]。如果用一半表示负数那么就是[-128,127]，当然以上只是常用的表示范围，要是自己想的话也可以表示[1,256]或者[10000,10255]，反正只能区分256个值而已（注意这里中括号表示的是闭区间，如果是开区间则用小括号表示，和数学上的概念一致）。

8位二进制就称为一个字节，关于数字和类型的大小后面的章节再详细介绍。

2.编译原理和图灵机

当老师讲到编译原理的时候，编译器经过了N个阶段，最终才生成了可执行程序，这个时候我们已经迫不及待了，对程序编译的过程毫不感兴趣，实际上这一阶段也需要理解一下。

我们所键入的C++代码是我们能够看懂的（或许久了也看不懂了），而计算机只能识别二进制，所以编译器即是一个将高级语言（C++）的代码按一定规则，转化为机器可识别的机器码的工具。也就是高级语言->汇编语言->机器语言的过程。幸好编译器帮我们实现了这些功能，不然学编程必然是门槛极高的一件事。可是现在由于底层堆叠的层数太多，导致码农丛生，这也就不奇怪了。不理解计算机的原理，不接触C语言，我觉得应该难以成为高手，当然除了只是简单利用编程进行一些计算和研究的人，没有必要研究那么透彻。再底层一些的工作也就是接触汇编与操作系统，做CPU相关的研发。不过国内的发展顺序和国外恰好相反了，一开始的计算机通过卡片打孔来输入数据，也就是机器语言，后面为了方便人理解和编写，就有了汇编语言。最初的操作系统也由汇编语言写成，而汇编语言不够结构化，才有了高级语言。由于程序规模越来越大，也就有了更多的框架与结构，比如C++，以面向对象编程思想和方法进行开发。而脚本（虚拟机）语言为更上一层的事物，它并不直接编译成机器语言，而是直接调用已编译好的机器码，比如Java与C#。

但是万变不离其宗，所有在计算机上执行的程序都是一层一层向下调用，最后通过二进制的逻辑运算，CPU等硬件的处理，最终依赖了真实世界的法则。

图灵和冯诺依曼被称为计算机之父，图灵提出的图灵机就像现代计算机理论上的执行方式。程序像一条长纸带，纸带上记录了符号，机器通过读取当前纸带位置的符号来做运算将结果记录到纸带上，并且移动纸带到特定位置。而冯诺依曼计算机则是图灵机的工程化实现，构成了现代计算机的核心理论。其实你只要用心想一想，自己面对的显示器、手机所呈现的内容，到底是如何由一些芯片电路驱动的，就会觉得计算机实际上是一种理论与实践的结合，软件只不过是硬件上的抽象理论，而硬件才实现了软件所需的功能。就像汽车华丽的外表掩盖了内部的机器运作，如果要研究如何制造汽车，光关注于软件层面的理论，那是万万不得行的，所以学习编程语言当然也需要稍微理解背后的原理。至于开发国产CPU，实现操作系统，发明一门编程语言，实现计算机硬件一整套的生产，这些事情就需要天才的您来完成了，我的能力有限。

3.层级结构

层级结构是非常常用的计算机结构，无论是硬件与软件，层次都很明显。就像堆积木一样，从最底层的内容不断积累才形成了现在的计算机体系。就说硬件层面上的数据保存吧，最基本的是硬盘->内存->CPU，由于数据最终需要通过CPU处理，硬盘和内存的二进制数据就需要想办法传输给CPU，由于（机械）硬盘通过磁盘保存数据，读取数据需要硬盘里的磁头高速旋转来读取数据，所以等硬盘的数据传递给CPU就太慢了。内存作为主要的数据缓存，以不同的硬件实现来保存数据，并且可以快速的传递给CPU，当然缺点就是容量更小，且断电不能保存。而CPU实际还带有高速缓存，也就是CPU之内的“内存”，速度更比内存快，但容量也更小。CPU的高速缓存一般分3级，最常用的数据放置到一级缓存，这样就能最快的读取。如果放不下就只能往后排，最后就只能放到内存。内存如果也放不下，程序的编写者就需要动态的加载数据到内存，当然用时从硬盘加载到内存就会很慢了。这也是为什么有些游戏需要加载时间，下面举例：

小明点开一个程序，这时程序（就像一张纸条）从硬盘读取到内存，再从初始位置执行，通过CPU的运算，改变处理的位置，并改变程序在内存中的数据。这样就是程序执行的基本过程。当然这只是大概的逻辑，其中细节就太多了。每一个细节都被无数程序员研究过，所以咱们就不研究那么细节了。

当然上面的层次还可以附加，比如大家所说的“云计算”、“云游戏”。其实原理就是数据通过网络保存在其他电脑上，或者通过其他电脑处理数据，自己只输入数据和接收结果。而“分布计算”是通过网络连通许多的电脑来一起计算。

通过网络用其他电脑保存数据，就可以代替硬盘的作用，当然就可以视做硬盘之下的一个层次。

软件上的层次也很明显，如第二节所说的，最基本的是机器识别的机器语言，然后是汇编语言，然后是高级语言。而软件开发时，操作系统提供了API接口隐藏了与硬件的交互，让一般的程序员不需要和硬件打交道。再之上有通用的类库，比如解析png、jpg格式的图像库，使用字体的freetype库，3D开发的DirectX库，这些可以算一个层次。再之上就是游戏引擎、UI界面库等。有些游戏提供mod功能，也如同微信小程序，是在应用之上提供的开发功能，也可以算一个层次。这些就像一整条产业链，作为个人很难每一个都精通，当然也很难撼动现有的体系。要从头做起，也是不太可能的事情。

4.计量单位

咱们终于可以说一些比较客观的东西了，一些有固定定义的内容~

首先1位二进制，这个叫1位，如同一个开关可以表示两个状态，也可以叫做1bit。

8位叫做1个字节，也就是1byte。而我们经常看到的KB单位，即是kilobyte（千字节）。但是在程序员眼里1024才是整数，所以实际上1KB = 1024byte。

所以： $1TB = 1024GB=1024^2MB=1024^3KB=1024^4byte = 1024^4*8bit$

除了字节的常用说法外，还有字的说法，也就是WORD，这个实际是两个字节。DWORD是Double WORD的缩写，所以实际是4个字节。现在常用DWORD表示颜色，在各种颜色代码里我们可以看到0xffff0000或者#afafaf之类的写法，实际这就是占4个字节的十六进制数字。

5.C++是什么

C++如同数学一般，是定义的一套规则。至于编译器如何编译是编译器的事情，与C++无关。你只需要按照我规定的语法行事即可。所以C++是跨平台的，无论什么操作系统都可以使用，不过这个也要看你如何使用，如果在Windows平台使用VS编译器，并且使用WindowsSDK提供的API，那么就是依赖了平台。不过依赖平台是必须的操作，就像你在中国混就得按中国的规矩来。一般的做法是为不同的操作系统写不同的代码，不依赖操作系统的代码就可以不变。

C++的前身是C语言，C语言由贝尔实验室于1972年研发出来。最开始C++名字叫c with class，也即是带类的C语言。所以C++基本是兼容C语言的，不过却多了很多语法。而且C++的标准（也就是语法规则）在不断的更新，最新的是C++ 20版本，不过对于新手来说可以不用关心这些。

在2010年的时候我在新华文轩买了我的第一本C++书，不过接下来好几年都没看明白，直到高三的时候有了些感觉。为何我要选择学C++呢，因为我看到网上说C++比较适合做游戏，于是就入了坑。现在我认为C++确实是游戏行业的不二选择（或许国内不是），C++也比较适合大型软件的开发，最重要的原因是我认为如果不会C语言，就不太可能成为高手，不会面向对象也难以跟上时代。虽然Java、C#和许多脚本语言比C++简单很多，也能够开发很多有用的软件。但是吧，要深入研究计算机编程，学C++应该是比较好的。

结语

本章大概说了一些基本常识，如果不太理解应该是很正常的，很多词汇我并没有具体解释，一下子就会犯迷糊。不要由此失去了学C++的信心，这只是一个大概的论述。

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【C++教程】01.基本概念

第一章基本概念

前言

1.计算机与二进制

2.编译原理和图灵机

3.层级结构

4.计量单位

5.C++是什么

结语

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