你必須理解的計(jì)算機(jī)核心概念
計(jì)算機(jī)學(xué)科中有很多概念， 例如編碼(原碼，補(bǔ)碼，反碼)， 虛擬內(nèi)存， 文件， IO, 編譯，鏈接，分組交換，關(guān)系， 事務(wù)，范式， Hash, 加密。。。等等，本文試圖講一下最重要的核心集合，從這個(gè)集合當(dāng)中就可以變換出計(jì)算機(jī)編程的各種魔法。
1 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的原理
所有的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，不管是Java, Python, Go, C, C++, PHP...... ， 無(wú)論你在TIOBE上是排行***還是排行第100, 無(wú)論看起來(lái)多么花哨，功能多么強(qiáng)大，用起來(lái)多么舒服， 最終都要變成基本的二進(jìn)制指令，老老實(shí)實(shí)地在馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上按規(guī)矩執(zhí)行。
這里是根， 我們看到的、用到的都是這棵樹(shù)上的花和枝葉。
作為志向遠(yuǎn)大的、有著強(qiáng)烈好奇心的年輕人， 難道你不想到根部來(lái)看一看?
作為最基本的要求， 必須要了解CPU和內(nèi)存這倆哥們是怎么親密無(wú)間工作的： CPU從內(nèi)存取出指令，進(jìn)行譯碼和執(zhí)行，執(zhí)行時(shí)從內(nèi)存中取出數(shù)據(jù)放到寄存器中， 進(jìn)行計(jì)算， 然后把結(jié)果寫(xiě)回到內(nèi)存。如果是跳轉(zhuǎn)指令， CPU則取出跳轉(zhuǎn)目的地的指令繼續(xù)執(zhí)行。
如此簡(jiǎn)單的過(guò)程，竟然組成了多姿多彩的電腦世界： 你可以聽(tīng)音樂(lè)，玩游戲、上網(wǎng)聊天、用Word來(lái)寫(xiě)文檔..... 當(dāng)然看起來(lái)微不足道的一個(gè)操作，進(jìn)入到CPU和內(nèi)存中都可能需要成千上萬(wàn)條指令來(lái)完成。
這些基本的指令組成了順序、循環(huán)、分支等基本的程序結(jié)構(gòu)，形成了更為強(qiáng)大的編程語(yǔ)言的基礎(chǔ)。
CPU和內(nèi)存、硬盤(pán)等設(shè)備的速度不匹配，是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的一個(gè)核心問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們絞盡腦汁，想盡了辦法， 又引出了一堆概念： 緩存，DMA， 同步，異步，阻塞....
2 進(jìn)程和線程
這倆家伙的重要性不言而喻，因?yàn)槟銓?xiě)的所有的程序要么會(huì)成為一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程去執(zhí)行，要么是被一個(gè)進(jìn)程中的線程收編，沒(méi)有例外 。
幾乎所有的編程語(yǔ)言都會(huì)涉及到對(duì)多進(jìn)程或者多線程編程的支持， 特別是多線程的并發(fā)編程， 所以你必須得搞明白它的本質(zhì)是什么。
進(jìn)程是對(duì)一個(gè)運(yùn)行中的程序的抽象，沒(méi)有這個(gè)概念，我們是無(wú)法實(shí)現(xiàn)一邊聽(tīng)歌、一邊上網(wǎng)的愜意生活。
對(duì)于CPU來(lái)講， 它只是“渾渾噩噩”地從某個(gè)地方取指令，譯碼執(zhí)行，但是它不會(huì)意識(shí)到在某一刻整個(gè)世界已經(jīng)變了天， 它執(zhí)行的程序已經(jīng)發(fā)生了切換，另外一個(gè)程序(準(zhǔn)確地講叫進(jìn)程)已經(jīng)成功地?fù)尠鄪Z權(quán)。
每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)被操作系統(tǒng)老大維護(hù)的進(jìn)程控制塊， 里邊保存了這個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)的重要信息，是進(jìn)程能來(lái)回切換的重要保證。
而線程則寄居于進(jìn)程之內(nèi) ， 共享進(jìn)程提供福利(代碼和數(shù)據(jù))的同時(shí)， 還擁有自己的一畝三分地。
線程的出現(xiàn)，提升了系統(tǒng)的性能、吞吐量和響應(yīng)性。 但是多進(jìn)程/多線程編程也帶來(lái)了一系列問(wèn)題： 同步，通信，鎖， 死鎖。。。
3 虛擬內(nèi)存
有了物理內(nèi)存， 為啥還有虛擬內(nèi)存?
一個(gè)重要的原因就是給各位進(jìn)程先生提供一個(gè)由虛擬地址組成的獨(dú)立王國(guó)， 給他們?cè)斐梢环N假象： 我最重要，我是獨(dú)占內(nèi)存的!
每個(gè)人在自己的獨(dú)立王國(guó)里鬧騰，就不會(huì)互相打架， 治安也就有了保證。
但是在虛擬地址王國(guó)里做不了什么事情，指令必須在物理內(nèi)存中才能被執(zhí)行， 操作系統(tǒng)老大用盡渾身解數(shù)，把每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址映射到實(shí)際地址上去，表面上不動(dòng)聲色，背后絕對(duì)驚心動(dòng)魄，分段，分頁(yè)，頁(yè)表，還要?jiǎng)佑肅PU的TLB來(lái)加速。
程序并不是像你想象的那樣，一下子全部裝載到內(nèi)存的， 而是慢慢地， 用到的時(shí)候才進(jìn)行裝載。
進(jìn)程一條普通指令的執(zhí)行， 其實(shí)有一大家子在鞍前馬后地忙碌著， 而進(jìn)程幾乎渾然不覺(jué)，真是太幸福了。
4 網(wǎng)絡(luò)的核心概念
上面所說(shuō)的都局限于一臺(tái)計(jì)算機(jī)， 然而一張大網(wǎng)早已經(jīng)把這些孤島聯(lián)系在一起。
這張大網(wǎng)就你我的周?chē)?我們都變成了它的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
大網(wǎng)的設(shè)計(jì)非常有趣，沒(méi)有一個(gè)中心的節(jié)點(diǎn)，某幾個(gè)甚至某一片節(jié)點(diǎn)陣亡都沒(méi)有關(guān)系，大網(wǎng)繼續(xù)生存，提供服務(wù)。
作為碼農(nóng)我們要理解的核心概念是： 分組交換， TCP/IP參考模型， socket , http(s)。
你也許沒(méi)有想到，你上網(wǎng)玩游戲，聽(tīng)音樂(lè)，看這篇文章，其中的數(shù)據(jù)并不是一下子全發(fā)給你的， 而是被切分成適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男K，給每個(gè)小塊編上號(hào)， 每個(gè)小塊都獨(dú)立地走相同甚至不同的網(wǎng)絡(luò)路徑， 到達(dá)你這里，重新排序，組合，然后才展示給你， 這就是分組交換。
使用分組交換可以充分的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬： 在你不使用的間隙，別人也可以利用。
但是一個(gè)很明顯的問(wèn)題就是分組數(shù)據(jù)丟失了怎么辦? 如何檢測(cè)， 怎么重發(fā)，如何緩存已經(jīng)收到分組數(shù)據(jù)等一系列煩人的問(wèn)題接踵而來(lái)。 這就是TCP要干的事情。
如果你能體會(huì)到TCP是在端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，中間節(jié)點(diǎn)一無(wú)所知，我想你就Get到了分組交換和分層的真諦。
TCP/IP參考模型定義了5層： 應(yīng)用層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層，鏈路層，物理層。你一定得理解所謂的分層只不過(guò)是把你的數(shù)據(jù)層層包裝而已，在傳輸?shù)倪^(guò)程層中每到一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)拆開(kāi)某一層的包裝，查看一下數(shù)據(jù)， 然后再次包裝，轉(zhuǎn)發(fā)出去，直到終點(diǎn)。
也許你不愿意了解底層煩人的細(xì)節(jié)， 但是一定要理解socket和http(s) ， 這哥倆最貼近我們碼農(nóng)的日常生活，我們經(jīng)常直接和他們對(duì)話(huà)，利用他們收發(fā)數(shù)據(jù)， 所以花點(diǎn)經(jīng)歷好好學(xué)學(xué)吧。
5 Hash 和 RSA
如果說(shuō)Https是網(wǎng)絡(luò)安全通信的一大基石， 那Hash和RSA 則是基石的基石。
為了保證消息在傳輸過(guò)程中的私密性， 完整性，不可偽造性，這哥倆可以說(shuō)是功不可沒(méi)。
其實(shí)不僅僅是Https , 在各種軟硬件平臺(tái)上都能看到他們勤奮的身影， 例如SSO, SSH, JWT ..... 所以非常值得你投入精力去學(xué)習(xí)。
RSA最為美妙之處就是有一對(duì)兒鑰匙， 一個(gè)是私有的、保密的， 另外一個(gè)是公有的， 誰(shuí)都可以知道， 這對(duì)于之前的對(duì)稱(chēng)密鑰是個(gè)極大的顛覆， 誰(shuí)能想到原先需要保密的密鑰竟然可以公開(kāi)呢!
更有意思的是私鑰加密的數(shù)據(jù)只有相應(yīng)的公鑰才能解開(kāi)， 反之亦然，這確實(shí)是很漂亮的概念。
RSA的概念很簡(jiǎn)單， 但是為了實(shí)現(xiàn)真正的安全消息傳輸，作為***步必須得有數(shù)據(jù)簽名做保證， 你需要理解如何對(duì)消息用Hash形成摘要，然后用私鑰簽名，又是如何驗(yàn)證這個(gè)簽名的， 理解了這一點(diǎn)，很多東西都迎刃而解。
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