计算机概述系列目录

第一章计算机概述（一）——计算机发展历程与基础表示

第二章计算机概述（二）——构建CPU

第三章计算机概述（三）——编程介绍

文章目录

计算机概述系列目录
前言
一、早期的编程方式
二、编程语言发展史
三、算法
四、数据结构
五、图灵机
六、软件工程

前言

学习计算机概述，目前参考资料来源《计算机科学速成课》（https://www.bilibili.com/video/BV1EW411u7th?p=3），以后逐步补充、更新。
编程：通过对计算机进行一系列的规定，利用计算机解决问题。
内部程序运行主要依靠CPU与内存，而程序如何进入内存以及编程的基本介绍是本章主要讲述的内容。

一、早期的编程方式

穿孔纸卡（Punch Cards）——插线板（Plugboards）——面板编程（Panel progamming）——内存（存储程序计算机（Stored-Program Computers））

穿孔纸卡/纸带是最早出现的编程模式，主要用来输入/输出数据，代表：纺织机、穿孔纸卡读取器。缺点：当数据、指令较多时，需要的纸卡或纸带多，难以收集、整理。
插线板是为执行不同计算的控制面板，通过更换连通的线路选择不同的计算方法，以此存储程序。缺点：更换线路时复杂、耗时长。
面板编程：因穿孔纸卡编程成本昂贵，便诞生了利用开关进行编程的模式，即利用开关编辑指令/数据的二进制编码等，一行一行输入。
现代计算机采用更为简单、灵活的存储程序的方式：内存。优点：程序易于修改、方便CPU快速读取。（早期存入数据与程序仍然是用穿孔纸卡读取器的方式）
如果内存足够，不仅可以存储程序，也可以存储数据，这样的存储结构称为冯诺依曼结构，标志：一个处理器（有算术逻辑单元）+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+内存（负责存数据和指令）

二、编程语言发展史

程序在硬件层面编程困难，程序员更期待一种更通用、更软的媒介——软件，让程序员更专注于处理问题，而不是底层硬件实现细节。

情况：计算机只能理解二进制——机器语言/机器码（Machine Code），与文字语言相差甚远。
早期编程过程：先在纸上写一个“高层次版”代码描述（伪代码Pseudo Code），然后用“操作码表”把伪代码转成二进制机器码。
缺点：二进制的机器码远离生活，记忆、操作复杂。
汇编语言：为了将机器码向更高层次进化，以减轻程序员负担，由此诞生了一种新语言——汇编语言，每个操作码分配一个简单的名字“助记符”（mnemonics），助记符后面跟数据，形成完成指令。并配备一个二进制程序——汇编器（Assembler），将助记符等文字语言自动转成二进制指令。
缺点：虽然对机器码进行了优化、诞生了许多便捷操作（利用可跳转文字标签，自动分析JUMP地址），便于记忆，但一般都是一条汇编指令对应一条机器指令，汇编语言与底层硬件关系紧密，仍需要思考寄存器类型以及内存地址等。
高级语言：更进一步抽象汇编语言，一条指令对应多条机器指令，且不用考虑寄存器地址等硬件层面的信息。并配备一个编译器，将高级语言转化成汇编语言或者机器语言。

三、算法

算法：解决问题的具体步骤。
好坏判断标准：所需步骤、所占内存大小——复杂度：算法输入规模和运行步骤之间的关系，表示运行速度的量级。

排序算法
（1）选择排序（Selection Sort）
比较数组中所有元素选出最小的元素，再继续选出剩余元素中最小的值，依次排列。复杂度O(n²)。
（2）归并排序（Merge Sort）
检查数组大小是否>1，if true，就把数组分成两半，直到每一个数组里只含一个元素。然后两个为一组进行比较，按大小顺序排列后合并为一组。比较完成后，继续以两个为一组进行比较（两小的先比较，剩下的再与另一组的另一个数进行比较）。以此循环，直至所有数组合并为1个数据。复杂度O(n*logn)。
图搜索（Graph Search）
尝试每条路，计算出每条路的成本，时间复杂度是O(n!)
Dijkstra算法：总是从成本最低的节点开始，跑到所有相邻节点，记录成本。eg：从高庭出发，跑到相邻的点，可得到君临城的成本最低；再从君临城出发到奔流城和三叉戟河，结果发现从高庭到君临城到奔流城成本为33，而高庭到奔流城的成本为10，所以从奔流城开始向派克城和三叉戟河继续记录成本，直到到凛冬城。

四、数据结构

数据结构：存在内存中的算法处理的数据格式。
应具备的特点：结构化，方便读取

数组（Array）/列表（list）/向量（Vector）
数组的值是连续存储在内存中，即地址连续。创建时大小固定，不能动态增加大小。
字符串（String）其实是字符、数字、标点符号等组成的数组。每个字符串以二进制的零结尾（null）。
矩阵（Matrix）
数组中的数组，二维及以上纬度的数组。
结构体（Struct）
多个不同类型的变量打包在一起。内存地址连续。
节点（Node）
节点是一个结构体，内部包含一个变量和指向下一个节点的指针。可用来构成链表、队列、栈、二叉树、图等。

（1）链表（linked list）
一种灵活的数据结构，由多个节点构成，每个节点中的指针指向下一个节点实现，即地址不连续，但相邻节点之间存在关系，方便插入，也容易重新排序、两端缩减、分割、倒序等。
（循环链表：最后一个节点的指针指向第一个节点。）

（2）队列（Queue）
队列类似于管道的链表，只有一个出口出（出队（dequeuing））、一个入口进（入队（enqueuing）），先进先出（FIFO）。
（3）栈（Stack）
栈类似于容器，先进去的就堆在最下面，后进去的在最上面，也是最先出来的。后进先出（LIFO）（入栈（push）出站（pop））
（4）树（tree）
将节点的指针改为两个或多个，就形成了树。
节点指针为两个时，树称为二叉树（binary tree）。
特点：由根节点到叶节点的路径是单向的。
相关术语：
根节点（root）：最高节点。
子节点（children nodes）：根节点以下的所有节点。
父节点（parent nodes）：子节点的直属上一级节点。
叶节点（leaf nodes）：没有任何子节点的节点。

（5）图（Graph）
图：数据节点之间随意连接，包括循环，用有多个指针的节点表示。
红黑树
堆

五、图灵机

解决的问题：可判断性问题
是否存在一种算法，输入正式逻辑语句，输出准确的“是”或“否”答案？
图灵机：
图灵机是一台理论计算设备，具备如下功能：
（1）有无限长的纸带，纸带可以存储符号；（无限的输入、无限的内存）
（2）有一个读写头，用于读取、写入纸带数据；（能够与纸带进行交互）
（3）有一个状态变量，保存当前状态；
（4）有一组规则，描述机器做什么。（规则是根据当前状态+读写头看到的符号，决定机器做什么）
图灵机停机问题
问题描述：给定图灵机描述和输入纸带，是否有算法可以确定图灵机是会继续运行下去还是停机。
证明：
（1）假设有算法能够确定图灵机是继续运行下去还是停机。设图灵机为H，输入信息经过H后，会得到两种输出：YES则表示停机，No则表示继续运行。再另设一个机器BIZARRO，BIZARRO内部包含一个图灵机H。输入信息进入BIZARRO后会交给H进行处理，如果H输出为YES，则BIZARRO继续运行，如果H输出为NO，则BIZARRO停机。
此时如果将BIZARRO本身的状态作为输入信息，即BIZARRO若为停机状态作为输入信息输入H，H将输出YES表示停机，但当H输出NO时，BIZARRO将继续运行。输入与输出结果相悖，即相互矛盾，所以不存在该算法。
（2）用函数来表示更容易理解。将图灵机H表示为函数f，返回值为true则停机，为false则继续运行。输入参数表示输入信息。
bool f(InputInfo a)
{
if(InputInfo a) return true;//停机
else:return false;//继续运行
}
此时BIZARRO可表示为
program BIZARRO(bool f, program BIZARRO)
{
if(f(BIZARRO)) return false;//如果f输出停机，则BIZARRO继续运行
else: return true;//如果f输出继续运行，则BIZARRO停机
}
由此可得输入信息BIZARRO与输出结果相矛盾。
图灵机的意义
（1）计算能力无与伦比：如果有足够规则、状态和纸带，图灵机可以执行任何计算，是一台通用计算机，没有计算机比图灵机更强大。（和图灵机一样强大的被称为“图灵完备”，如现代计算机）
（2）图灵机停机问题的不可判定的论证，表明计算机无法用任何程序判定任何程序的执行是否会终止，避免为编制这样的程序耗费精力，同理，计算机领域中不可判定问题都没有必要为此编写程序。

六、软件工程

为了隐藏复杂度，便于用户使用，程序员将代码层层封装，从代码到函数再到对象，最终形成软件。

软件的开发
软件的开发是需要靠程序员之间的团队合作，而对于程序员而言，如何进行团队合作？大项目分解成小项目。
对于程序员个人而言，为了方面其他人阅读并修改代码，需要做以下工作：
（1）提供API（Application Progaramming Interfece程序编程接口）。目前大多数软件都是将函数打包成对象以此编程，称为面向对象编程（Object Oriented Programming），而面向对象编程的核心就在于隐藏代码的复杂度，通过访问修饰符选择性的公布功能。因此只需要提供给其他程序员API能够调用对象即可（不需要知道具体细节，只要知道如何使用）。
（2）给代码写README文档，或者是在代码中写注释。
有利于提供程序员工作效率的方法：
（1）利用IDE（Integrated Development Environmets集成开发环境) 。IDE将帮助写代码、整合代码、测试代码、调试等功能全部集中在一个工具上，为程序员提供了很好的编译环境。
（2）源代码管理（Source Control）或版本控制（Version Control/Revision Control）。源代码管理就是将代码都集中在代码仓库（Code Repository）中，通过Check out取出要修改的代码，在经过编译、测试（又称为质量保证测试QA Quality Assurance testing），成功后提交到代码仓库的管理过程。这样的方式可以记录修改内容、修改人，当新版本出现Bug时，还可以通过Rolled Back（回滚）返回上一个稳定版本。
小细节
（1）软件在正式发布之前，会有两个版本alpha版本和beta版本。alpha版本比较粗糙，主要是公司内部测试并修改bug，beta版本bug较少，有时会发布给用户测试，让用户帮助发现bug。

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