《计算机是怎样跑起来的》学习笔记

前言

《计算机是怎样跑起来的》是日本作者矢泽久雄的著作。这本书我已经是第3遍看了，每次看都会有些不同的感受。这本书浅显易懂，涉及计算机的底层、内存、CPU、汇编、编程语言、网络、数据库等方面，是一本用于科普的好书。每次看，对某一些章节会有新的体会。故记录下来，以后有新的感受再补充进来。

1 计算机的三大原则

1. 计算机是执行输入、运算、输出的机器
2. 关注输入、计算和输出过程
3. 程序是指令和数据的集合
4. 对计算机而言，一切交流都是数值
5. 计算机的处理方式有时与人们的思维方式不同
6. 程序员要学会和计算机做朋友，学会交流

2 试着制造一台计算机吧

微型计算机的底层硬件：CPU、内存、IO

3 体验一次手工编程

汇编语言和机器语言、汇编语言和硬件的交互、了解汇编能帮助我们更好的知道计算机是如何运行代码的，从而写出更加高效的代码。

4 程序像河水一样流动着

1. 流程图（Flow Chart）
2. 三种流程分支：顺序执行、条件（选择）分支、循环
3. 结构化程序设计
4. 在高级编程语言代码中不使用跳转语句，但高级语言转为机器语言后，因为硬件的限制，机器语言还是会存在跳转语句。
5. 通过画流程图来思考算法（输入、计算、输出）：初始化处理、循环处理、收尾处理。
6. 中断处理和事件驱动

5 与算法成为好朋友的七个要点

5.1 算法中解决问题的步骤是明确且有限的

5.2 计算机不靠直觉而是机械地解决问题

1. 计算机只负责算，不会动任何脑筋；
2. 要求步骤可以直接转化为代码。
3. 实例：求最大公约数–>辗转相除法
   代码实现：

def GCD_1(a, b):
    """辗转相除法求a, b的最大公约数
    思路：用两个数中较大的数减去较小的数（步骤），重复上述步骤，直到两个数的值相等（步骤终止）。
    如果最终这两个数相同，那么这个数就是最大公约数。
    """
    while a != b:
        if a > b:
            a -= b
        else:
            b -= a
    return b

def GCD_2(a, b):
    """辗转相除法求a, b的最大公约数
    思路：以除数和余数反复做除法运算，当余数为 0 时，取当前算式除数为最大公约数。
    ⒈ 令r为a/b所得余数（0≤r
    while a != 0:
        a, b = b % a, a
    return b

if __name__ == '__main__':
    print("欢迎体验求解最大公约数")
    while True:
        a = int(input('请输入第一个数：'))
        b = int(input('请输入第二个数：'))
        # ans = GCD_1(a, b)
        ans = GCD_2(a, b)
        print(f'{a}和{b}的最大公约数为：{ans}')
        flag = input('请问还需要继续体验吗？如果继续，请输入"Y",否则输入"N"：')
        while True:
            if flag in ['Y', 'N']:
                break
            else:
                flag = input('输入有误，如果继续，请输入"Y",否则输入"N"：')
        if flag == 'Y':
            continue
        else:
            break

【待思考讨论】GCD_1和GCD_2哪个更快？计算机是如何计算除法和乘法的？（参考B站计算机科学速成课40讲）

5.3 了解并应用典型算法

【主要的典型算法】

名称	用途
辗转相除法	求解最大公约数
埃拉托斯特尼筛法	判定素数
顺序查找	检索数据
二分查找	检索数据
哈希查找	检索数据
冒泡查找	数据排序
快速排序	数据排序

【先思考算法，再去应用典型算法】
例如：如何求解最小公倍数？
方法：用两个数的乘积除以这两个整数的最大公约数。这给我们启示，一定要先思考，然后再去应用典型算法。不是所有的业务场景都可以通过典型算法解决，但是，很多情况下都可以把业务归类到某个典型算法上加以解决！

5.4. 利用计算机的处理速度

1. 案例一：判定素数

def is_prime_1(num):
    """判断正整数num是否是素数
    思路：利用定义来判断。如果在2-num间，没有能被num整除的数，说明num素数
    """
    for i in range(2, num):
        if num % i == 0:
            return False
    return True

def is_prime_2(num):
    """判断正整数num是否是素数
    思路：利用定义来判断。如果在2-sqrt(num)+1间，没有能被num整除的数，说明num素数
    """
    n = int(num ** 0.5) + 1 # 保证能遍历到平方根，x^2 = num.
    for i in range(2, n):
        if num % i == 0:
            return False
    return True

if __name__ == '__main__':
    print("欢迎体验判断一个正整数是否为素数")
    while True:
        num = int(input('请输入正整数：'))
        # ans = is_prime_1(num)
        ans = is_prime_2(num)
        print(f'{num}是一个素数：{ans}')
        flag = input('请问还需要继续体验吗？如果继续，请输入"Y",否则输入"N"：')
        while True:
            if flag in ['Y', 'N']:
                break
            else:
                flag = input('输入有误，如果继续，请输入"Y",否则输入"N"：')
        if flag == 'Y':
            continue
        else:
            break

2. 案例二：鸡兔同笼问题

def ji_tu(num, feet):
    """求解鸡兔同笼问题"""
    flag = False
    for x in range(1, num+1): # 鸡的数目
        for y in range(1, num+1): # 兔子的数目
            total_num = x + y
            feet_num = 2*x + 4*y
            if total_num == num and feet_num == feet:
                print(f'符合要求的解是：鸡有：{x}只，兔子有：{y}只！')
                flag = True
    if not flag:
        print('没有找到符合要求的解！')

if __name__ == '__main__':
    num = int(input('请输入鸡和兔子的总数：'))
    feet = int(input('请输入鸡和兔子的总计脚数：'))
    ji_tu(num, feet)

5.5. 使用编程技巧提升程序执行速度

编程中加入一些技巧，在处理大数据时，可以极大的缩短处理时间。比如判断素数，用待判定的数除以小于等于它的平方根的所有正整数，处理时间就会缩短。
【经典案例】
哨兵法：多用在线性搜索等算法中。通过哨兵，可以减少不必要的处理。见下图，哨兵法非常的巧妙！

5.6. 找出数字间的规律

所有的信息都可以用数字表示，因此为了构造算法，经常会利用到存在于数字间的规律。
经典例子：判定石头剪刀布游戏胜负的算法
如果把石头、剪刀、布分别用数字0、1、2表示，把玩家A做出的手势用变量A表示，玩家B做出的手势用变量B表示，那么变量A和B所存储的值就是这三个数中的某一个。请以此判断玩家A和B的输赢。
算法一：枚举法，那么需要枚举3X3 = 9种组合
代码实现

def game_1(A, B):
    """判定石头剪刀布游戏获胜"""
    if (A == 0) and (B == 0):
        print('平局')
    elif (A == 0) and (B == 1):
        print('玩家A获胜')
    elif (A == 0) and (B == 2):
        print('玩家B获胜')
    elif (A == 1) and (B == 0):
        print('玩家B获胜')
    elif (A == 1) and (B == 1):
        print('平局')
    elif (A == 1) and (B == 2):
        print('玩家A获胜')
    elif (A == 2) and (B == 0):
        print('玩家A获胜')
    elif (A == 2) and (B == 1):
        print('玩家B获胜')
    elif (A == 2) and (B == 2):
        print('平局')
    else:
        print('输入有误')

if __name__ == '__main__':
    print('欢迎来到猜拳游戏T_T')
    while True:
        A = int(input('请输入A玩家的手势，0、1、2分别代表石头、剪刀、布：'))
        B = int(input('请输入B玩家的手势，0、1、2分别代表石头、剪刀、布：'))
        game_1(A, B)
        flag = input('是否继续游戏？是请输入"Y"，否请输入"N"：')
        while True:
            if flag in ['Y', 'N']:
                break
            else:
                flag = input('输入有误，如果继续，请输入"Y",否则输入"N"：')
        if flag == 'Y':
            continue
        else:
            break

可以看到上面这种方法代码非常长而且枯燥，因此我们可以加入一些技巧，通过数字的规律来简单判断胜者。规律如下：

1. 如果变量A和B相等就是平局。
2. 如果B+1除以3得到的余数与变量A相等就是“玩家B获胜”。
3. 其余情况都是“玩家A获胜”。
   代码实现：

def game_2(A, B):
    """优化后猜拳游戏"""
    if A == B:
        print('平局')
    elif (B + 1) % 3 == A:
        print('玩家B获胜')
    else:
        print('玩家A获胜')

if __name__ == '__main__':
    print('欢迎来到猜拳游戏T_T')
    while True:
        A = int(input('请输入A玩家的手势，0、1、2分别代表石头、剪刀、布：'))
        B = int(input('请输入B玩家的手势，0、1、2分别代表石头、剪刀、布：'))
        # game_1(A, B)
        game_2(A, B)
        flag = input('是否继续游戏？是请输入"Y"，否请输入"N"：')
        while True:
            if flag in ['Y', 'N']:
                break
            else:
                flag = input('输入有误，如果继续，请输入"Y",否则输入"N"：')
        if flag == 'Y':
            continue
        else:
            break

5.7. 先在纸上思考算法

拿到题目现在纸上用文字或者图来描述解决问题的步骤，而不要立刻开始编写代码。

6 与数据结构成为好朋友的七个要点

1. 了解内存和变量的关系
2. 了解作为数据结构基础的数组
3. 了解数组的应用——作为典型算法的数据结构
4. 了解并掌握典型数据结构的类型和概念
5. 了解栈和队列的实现方法
6. 了解结构体的组成
7. 了解链表和二叉树的实现方法

7 成为会面向对象编程的程序员吧

1. 面向对象编程
2. 对OOP的多种理解方法
3. 观点1：面向对象编程通过把组件拼接到一起构建程序
4. 观点2：面向对象编程能够提升提升程序的开发效率和可维护性
5. 观点3：面向对象编程是适用于大型程序的开发方法
6. 观点4：面向对象编程就是在为现实世界建模
7. 观点5：面向编程可以借助UML设计程序
8. 观点6：面向对象编程通过在对象间传递消息驱动程序
9. 观点7：在面向对象编程中使用继承、封装和多态
10. 类和对象的区别
11. 类的三种使用方法
12. 在Java和.NET中有关OOP的知识不能少

8 一用就会的数据库

数据库是数据的基地
数据文件、DBMS和数据库应用程序
设计数据库
通过拆表和整理数据实现规范化
用主键和外键建立关系
索引能够提升数据检索速度
设计用户界面
向DBMS发送CRUD操作的SQL语句
事务控制也可以交给DBMS处理

9 通过七个简单的实验理解TCP/IP网络

实验1：查看网卡的MAC地址
通过win+R打开运行搜索框，然后输入cmd，在cmd中输入命令：ipconfig /all。
实验2：查看计算机的IP地址
cmd中输入：ipconfig /all。
实验3：了解DHCP服务器的作用
实验4：路由器是数据传输过程中的指路人
cmd中输入：route print。
实验5：查看路由器的路由过程
cmd中输入：tracert www.baidu.com
实验6：DNS服务器可以把主机解析成IP地址
cmd中输入：nslookup–>用于查看DNS服务器
实验7：查看IP地址和MAC地址的对应关系
cmd中输入：arp -a
TCP的作用及TCP/IP网络的层级模式

10 试着加密数据吧

错开字符编码的加密方式
秘钥越长，解密越困难
适用于互联网的公开秘钥加密技术
数字签名可以证明数据的发送者是谁

11 XML究竟是什么

XML是可扩展的标记语言
XML是元语言
XML可以为信息赋予意义
XML是通用的数据交换格式
可以为XML标签设定命名空间
可以严格定义XML的文档结构
用于解析XML的组件
XML可用于各种各样的领域

12 SE负责监管计算机系统的构建

SE是自始至终参与系统开发过程的工程师
SE未必担任过程序员
系统开发过程的规范
各个阶段的工作内容及文档
所谓设计，就是拆解
面向对象法简化了系统维护工作
技术能力和沟通能力
IT不等于引进计算机
计算机系统的成功与失败
大幅提升设备利用率的多机备份

后记：
我从本硕药学零基础转行计算机，自学路上，走过很多弯路，也庆幸自己喜欢记笔记，把知识点进行总结，帮助自己成功实现转行。
2020下半年进入职场，深感自己的不足，所以2021年给自己定了个计划，每日学一技，日积月累，厚积薄发。
如果你想和我一起交流学习，欢迎大家关注我的微信公众号每日学一技，扫描下方二维码或者搜索每日学一技关注。
这个公众号主要是分享和记录自己每日的技术学习，不定期整理子类分享，主要涉及 C – > Python – > Java，计算机基础知识，机器学习，职场技能等，简单说就是一句话，成长的见证！