什么是计算机思维？2个简单表达式让你理解！

0 前言

本文以十进制整数为例，使用2个最简单的表达式char a = -20;和char c = a + b;,为你深入浅出地讲解计算机思维，力求将抽象的计算机思维具象化讲解，同时，我将为你描述一个宏大的计算机世界的蓝图。

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计算机思维与核心思想概要：

• 人类世界与计算机世界的通道：编码与译码
• 计算机处理信息的本质：二进制信息的运算
• 现实世界向计算机世界的映射：二进制信息运算的原则
• 人类与计算机斗争的胜利与妥协：分而治之、抽象思想与分析程序行为、分工协作

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为了避免内容的冗杂，本文只谈及十进制整数和二进制数，力求使用最浅显易懂的知识，讲清楚高深的计算机思维。

1 人类世界与计算机世界的通道：编码与译码

本小节，从最简单的十进制整数与二进制数的相互转化，来解释编码与译码。

1.1 一段简单的C语言代码

你需要使用VS 2017进行单步调试和查看内存。

补充链接：使用VS 2017进行单步调试和查看内存

这里我们用char代表能够存储一字节大小的机器数的容器，并不使用其字符的功能。

你可以想象，这是一个char类型的容器，能够存储8位二进制数。

以下是我们即将展开讲解的C语言代码：

#include 
#include 

int main() {
	char a = -20;
	unsigned char b = -20;

	system("pause");
	return 0;
}

1.2 查看变量的内存情况

首先，我们查看一下数据a和b在内存中的情况，这个时候，计算机已经完成了十进制整数到二进制的转换，内存中存储的是对应的二进制信息，通常采用十六进制表示。

变量a在内存的情况：

变量b在内存的情况：

如果你不知道如何查看变量地址的话，可以通过C语言中的&a和&b，输出到控制台来查看。

我们可以看见，不管是带符号的变量a还是不带符号的变量b，将-20赋值给它们，存储到内存中的，都是十六进制的ec，也就是二进制的11101100。

这里表明，计算机是先将-20转换为11101100，然后再放入变量中的。

我们查看一下【局部变量】：

这里表明：

1. a和b的二进制信息是完全一样的
2. 他们输出到屏幕的数据类型和十进制数值不一样的

这是为什么呢？

1.3 计算机编码：从十进制到二进制

我们再看下面的图

首先，我来解释一下从通过键盘输入到存储存储器的过程

1. 从屏幕键入-20，计算机先进行编码，变成了二进制的11101100
   
2. 再将二进制信息，存储了变量a和b中。其中，变量a和b分别是带符号和不带符号的char类型数据
   
   这里有两个不同颜色的盒子

• 它们分别代表char类型和unsigned char类型
• 他们分别被打上了标签a和b
• 他们都存入了二进制信息11101100

1.4 计算机译码：从二进制到十进制

下面我来讲解一下，从二进制信息到输出十进制的过程。

尽管a和b两个盒子中的二进制信息完全一样，但是你要清楚，这只是在计算机世界完全一样，在人类世界中，二进制信息的含义应该是：二进制信息的含义 = 位 + 上下文，所谓上下文，就是二进制信息所处的环境。

参考学习：《深入理解计算机系统》的1.1节

也就是说【11101100 + 数据类型】，通过这两个条件，才能正确得到现实世界中，二进制信息的含义，这里我们将二进制，以十进制形式进行输出。

• 对于变量a，以带符号的十进制形式输出，因为它被转换为二进制之前，就是带符号的十进制数。
• 对于变量b，以无符号的十进制形式输出，-20以补码形式转换成二进制数，然后再存入b中，此时这个二进制数的含义发生了改变，因为它的上下文从带符号数变成了无符号数。

这里我们需要强调的是，对于十进制与二进制的相互转换，大多情况下，是怎么进去的，就要怎么回来，除非特殊需求，比如需要将十进制数转换为字符输出，这也是允许的。

1.5 小结

本节我为你展示了两个过程

• 十进制 --> 二进制，这个过程叫编码
• 二进制 --> 十进制，这个过程叫译码

计算机的外部设备，鼠标、键盘、音响和显示器等等，这些都是从人类世界进入计算机世界的入口。

人类通过这些外部设备输入信息（十进制数、文字、图片、视频、音频……），由计算机进行编码，以二进制数的形式进入计算机世界，你也可以理解为入乡随俗。

这些二进制数在计算机的世界里遨游，有些二进制数是数据，有些是指令，这些指令是计算机世界的指挥者，他们指挥着数据工作，这些数据可能进行加法工作，可能进行乘法工作……

当这些二进制数，完成了他们的探索使命，就要回到人类世界，这个时候，他们将会通过计算机进行译码，恢复他们在人类世界的本来面貌。

你可以想象，一架宇宙飞船，从人类世界，通过虫洞进入计算机世界，在完成任务后，又通过虫洞返回人类世界。

2 计算机处理信息的本质：二进制信息的运算

2.1 体验计算机的二进制运算

我们把上一小节的代码，再加上一行代码char c = a + b;

char a = -20;
unsigned char b = -20;
char c = a + b;

我们查看一下内存和局部变量：


可以得知，变量c对应的十六进制是d8，二进制是11011000，又因为它是char类型，因此二进制信息对应的十进制信息是 -40。

这里你是不是有疑问？试想，如果是按照十进制进行相加-20 + 236，肯定不等于-40，并且，一个char类型的数和一个unsigned char类型的数据，不同的数据类型相加，又是怎么进行的呢？

这里，也就可以谈及我们的要点，信息处理的本质，是二进制信息的运算。我们所有的信息，都是先转换成二进制信息，再进行相关运算，运算结束后再根据其上下文，返回对应的结果。

我们根据这个过程，再来审视一下刚才的例子：

1. 将a和b的内部是二进制信息，将它们进行加法运算，得到结果
2. 将结果放进容器c中
3. c中的二进制信息，再由计算机译码，转换为十进制输出到屏幕

如果我们将最后一条加法改成unsigned char c = a + b;，c的结果将会是216，具体过程留给读者思考。

需要注意的是，这里我举这个例子，只是为了说明本文的观点，事实上，C语言编程中，非常不建议将无符号与有符号数混合运算，因为那样得到的结果很可能令人费解，可能也没有什么现实含义。

2.2 小结

本小节为你讲述了这些内容：

1. 对于char a = -20;，计算机先将-20以补码的方式转换为二进制信息11101100，在将其放入变量a所对应的内存中。
2. 对于char c = a + b;，计算机会在CPU中，会进行如下过程
   1. 将a和b的二进制信息进行加法运算
   2. 将得到的结果放进变量c所对应的内存中
   3. 再转换为十进制显示到屏幕上

在计算机的世界里，只有二进制数，这些二进制数，在计算机世界中，按照人类设定的规则不断地运算，完成任务后，又以原本的身份回到人类世界。

这，就是计算机处理数据的本质，计算机按照人类设定的规则进行二进制运算。

推荐阅读《编码:隐匿在计算机软硬件背后的语言》

3 人类世界向计算机世界的映射：二进制信息运算的原则

计算机是人类发明的工具，是人类智能的延伸，因此，计算机世界的运算法则，要遵从人类世界的运算法则，才能更好地为人类服务。

例如人类世界中，1+2 = 3，那么在计算机世界中，0001 + 0010也要等于0011。

无论是加减乘除法，还是其他种种，都有遵循这个原则，这样人类才能更方便地利用计算机解决现实问题。

因此，二进制数本质上就是现实世界在计算机世界的映射，它具备现实世界的含义。他们之间实现映射的通道是编码与译码。

我给出你一个表格，做个对比，让你清晰地感受这种映射。

人类世界	计算机世界
领导者	控制器
基层员工	运算器
能源物质	数据

给你解释一下：

• 控制器在CPU内，能够指挥计算机怎样工作
• 运算器在CPU内，能够进行数据的运算
• 数据在计算机存储器（内存、硬盘等）中四处游走

给你推荐一个动画，能够让你清晰感受到：人类是高维生物，而计算机世界是人类创造的一个新的世界，这个世界是人类世界的映射，它为人类世界工作和服务。

推荐动画：《瑞克和莫蒂》第二季第六集：电池微世界

4 人类与计算机斗争的胜利与妥协

自从计算机被发明以来，人类与计算机一直在进行着永无休止的斗争，不断进行着碰撞与融合。

计算机是人造的产物，它是人类思维的产物，但是随着它的不断发展，其复杂性成指数级上升，独立的个体已经很难去控制它，因此，为了充分利用计算机来为人类造福，人类又发明了很多方法去控制它，去约束它。

计算机诞生以来，形成了很多的分支领域，也诞生了很多优秀的理论，这些都让人类能够更好地控制计算机，为人类造福，例如软件工程中的瀑布模型及其衍生模型、敏捷开发方法；又例如当今时代的火热技术人工智能、大数据；又例如面向未来的量子计算机……

人类在这场没有硝烟的战争中，有胜利，也有妥协。

4.1 人类的胜利

人类在这场战争中，充分发挥自身的智能，成功地使用分而治之的哲学思想和逻辑抽象的数学思想，战胜了复杂的计算机！

4.1.1 分而治之思想的应用

根据本文的核心理念，这里我只使用文章开始提及的简单表达式，来为你讲解分而治之思想的实际应用，然后给到你该思想的本质内核。

对于表达式char a = 3;，我们可以将其分开看待：

1. 3转换为二进制，看作0011
2. char看作某种类型的容器
3. a看作容器的标签

这样，你就可以将这个表达式看成：将0011放进贴着标签a的char类型的容器中。

这个简单问题，可能没有让你感受到复杂问题的简化，你可以想象一个需要你解决的问题：让你开发一款操作系统，这个问题足够复杂，但是其开发过程的各个环节，都渗透着分而治之的思想，我想你应该清楚它的重要性了。

该思想能够让复杂性问题简单化，让很难被解决的问题得以解决，事实上，人类面对大规模问题，都会采取这样的思想：软件工程的分工协作、硬件编程的层次建模……它有大量的应用场景，这个思想对读者来说，是年金，它每年都会给读者分红，时间越久，利息越多。

4.1.2 分而治之思想的本质

Divide et impera ——拉丁语，意为“分而治之”，引自Machiavelli的一句政治箴言，1532

分而治之的思想本质，就是拆解与转化：

• 将大问题拆解为小问题
• 将小问题拆解为更小的问题
• 将更小地问题转化已知的被解决过了的问题

Critical thinking（批判性思维）的相关资料指出：所谓创造，就是将已知的产物以全新的方式结合起来。

而分而治之的思想，正是通过问题拆解，转为已知，再综合结果的方式，实现了创造。

如果蛋糕太大一口吃不下，那就先切开它！然后一快一快吃下它！

期待你遇到大规模问题不要惊慌失措，你可以先拆解他、再转化它、最后综合起来，几乎任何问题都可以被解决。

4.1.3 抽象与实现

逻辑抽象是人类智能的体现，它是计算机所不具备的，面对一个复杂的问题，我们可以对其进行不同层次的抽象、建模，这些行为的进行，可以在人的脑子中，也可以在纸面上，或者在其他工具上。

根据抽象得到的结果，人类再使用计算机这个得力助手去实现它，这样就能真正地解决现实问题。

计算机领域的抽象与实现，可以是 [数据结构] 的抽象数据类型；可以是 [Verilog HDL] 的层次建模思想；可以是软件工程的UML建模……

抽象与实现的思想，其实渗透到了人类生活的各个领域，期待你能够以这样的方式去重新审视这个世界。

4.2 人类的妥协

人类不会向计算机屈服，但是面对一些挑战，也不得不做出适当的妥协让步，这也是为了更好的应用计算机高效率地解决现实问题。

4.2.1 分析计算机行为快速搞定bug

当程序没有按照你预期的结果执行，不要懊恼，不要悲伤，更不要想着：“为什么它没有按照我想的去做？”

这样的想法，只会让你更加懊恼和沮丧，你应该想的是：是不是我哪里没有描述清楚，所以它没有做好事情？

你应该做的是：按照程序执行的行为，使用单步调试/断点调试，逐一分析，直到找到问题根源。

计算机是个听话的孩子，它只会按照你告诉它的去执行，因此，如果它出错了，一定是你指挥失误，你只需要分析它的每一步行为，就能够以最快的速度找到错误，解决bug。

这是计算机历史上，导致计算机崩溃的一只虫子（bug），让我们一起，按照程序的行为，找到它，消灭它！

4.2.2 大规模项目的分工协作

随着计算机的不断发展，大规模复杂问题开始出现，独立的个体可以写出一个小程序，但是面对大规模问题，人类就如同《焦油坑》里的动物一样，不断挣扎，但是越挣扎，反而越痛苦。

直到软件工程出现，人类开始学会分工协作，共同应对棘手的“焦油坑”，成立了“外科手术队伍”，具备了解决大规模问题的能力。

推荐阅读：《人月神话》
你将会更加直观地感受到人类与计算机的斗争，比如焦油坑、外科手术队伍……

5 期待你更好地在计算机世界遨游

本文从一个最简单的表达式出发，为你描述了人类世界与计算机世界的宏大蓝图；给你讲述了重要的计算机思维，并将其具象化表达；给你讲解了重要的破解复杂问题的方法和适当妥协让步的策略。

计算机是人类智慧的延伸，是人类得力的工具，是人类的 “外包大脑”，永远记住，你不是程序员，不要当程序员，你是解决问题的人，你要利用人类特有的智能，这，才是你与计算机的不同，你能做到计算机做不到的事情，你要充分利用计算机这个得力工具去解决问题，不要被其反噬控制。

期待此文，能够为你带来全新的计算机世界观，让你更好地开启计算机旅程。

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