我眼中的计算机：硬件、操作系统、应用程序

1.计算机 = 硬件 + 操作系统 + 应用程序

有人说过，计算机世界的绝大部分问题都可以通过分层的方法来解决。从一个程序员的角度，我比较喜欢将计算机分为三层，自底向上分别为：

1) 硬件（Hardware），按照冯氏的结构定义，一个处理器由5个部分构成，分别为：存储器；控制器；运算器；输入设备；输出设备。对于常见的计算机而言，存储器如常见的外存储设备；CPU则包含运算器、控制器和内存储；输入输出（I/O）很好理解，这里就不写了。

2) 操作系统：Operation System，操作系统主要负责管理计算机硬件资源，控制其他程序运行并为用户提供交互操作界面的系统软件的集合。讲的具体一点如进程、线程管理；内存管理；信号量机制；IO管理等。最常见OS的如Windows，又如HP-UX、SUSE、VxWorks（嵌入式）。

3) 应用程序层：Application，应用层，指使用各种不同的编程语言（C、C++、JAVA、Ruby、Python，太多了，写不完）、通过各种开发工具并基于各种操作系统开发的——软件。该部分是大部分程序员工作的一层，也是构成我们丰富多彩的生活最直接的一部分。常见的如Word是软件，QQ亦是软件。

2.那些围绕在我们身边的“计算机”

根据上面的分层，对应一下常见的计算机:



最常见的计算机莫过于个人PC，其硬件部分（主要讲CPU）当前最主流的当属Intel和AMD的产品，操作系统对应的如Windows（现在应该是Windows8了，当然如果自己装Linux也有可能），对于基于Windows的应用程序开发，其IDE如微软提供的Virual Studio, VC 6.0等。APP如Word，还有当前用来写文章的Maxthon。

再如华为公司的ATAE，其CPU主要采用Intel的x84_64，操作系统采用SUSE10 Linux，编译器为gcc/g++，其应用程序如FTP。

在服务器世界里，还有惠普公司的HP-UX、IBM的工作站，其对应的操作系统分别为HP Unix、AIX，编译器分别为aCC与xLC。还有那个曾经的SUN也有对应的产品，这里就不提了。

3.程序员在做什么？

对于一个程序员而言，主要在从事APP层的开发工作，如果主要从事C/C++，最直接接触的当属OS层。所以要写好程序，必须去了解操作系统的机制，不同的操作系统都有着不同的限制和调度机制。首当其冲的编译器的机制必须要去了解，比如gcc和g++，其常用的参数有哪些，每个参数代表什么含义，有什么限制？Makefile如何编写？基于该OS开发的程序如何进行调试？操作系统的信号量机制有哪些？同理，对于JAVA的开发而言，最直接的打交道的应该是JVM，可以理解为一个简单的操作系统，所以必须去了解JVM的调度机制，如内存管理、GC机制如何运作？调试工具如jvisualVM、jMap如何使用？

再深一层，就要了解到硬件的限制，如CPU的调度机制、汇编指令、IO等。比如代码a = a+1和a++转变成汇编指令有什么区别，怎样写才是高效的？HP Unix的aCC编译器，“+u1”参数后对生成的汇编指令有何影响？大尾端和小尾端有什么区别，与网络字节序又有何关系？再如，为什么要使用多线程编程，在编码时引入多线程的目的是什么？

上面主要简单描述了一个程序员眼中的计算机分层，那么对于我们的产品——APP或者叫做“软件”，内部又是怎样构成的呢？

4.软件/程序 是什么？

从技术角度而言，软件在运行态可以理解为一个个的进程，其内部可能有几个线程构成。上过操作系统课的同学应该有两句话印象深刻（上课睡觉，作业抄袭的除外）：“进程是拥有资源的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。”

画个图吧：



每个运行态的应用程序，可以称其为Process，每个Process对应有一个身份标识（PID）。其内部包含1到N个线程，每个线程也有自己的线程句柄。CPU以线程为单位进行调度，资源如MEMORY, CPU, IO等统一由进程拥有，换句话讲Thread1至Thread N均可以直接访问进程所拥有的资源。因此对于多线程程序而言，其资源存在并发访问的可能性，比如对于同一个变量a，Thread1在进行a = 1的时候，Thread 2可能“同时”在进行a = 2的操作，这个操作的结果就是a的赋值结果不可预知。如果Thread1在前，Thread
2在后，那么a最终等于2，反之a最终等于1。对于类似于a这类资源，我们可以定义其为“临界资源”，对于临界资源的保护，成为多线程编程必须面临而又必须解决的问题。

由于进程拥有着计算机的资源，因而其内部线程可以方便的访问其内部的各种资源。比如对于内存而言，Thread1可以通过地址访问到Process内部相应的内存块，Thread2也可以访问到Process内部的对应地址。

5.程序世界

每个计算机上面都不可能仅仅存在一个Process，运行期间，必然是有各种各样的Process构成，如下图：



但问题来了，如果Process1想访问Process2内部的数据，该如何处理呢？进程与进程间的数据访问，通过进程间通信（IPC）来解决，Linux下常见的进程间通信方式如共享内存、管道、Socket等（参见《Linux环境高级编程》，这里不多写了，后面再详细写）。

进程的构造弄清楚了，那进程/程序究竟在做什么？我理解的，程序无非是对于输入的信息/数据进行一定的处理，然后提供一定的输出。



对于输入的数据，可能是数据库的数据存储、可能是网络上的一串码流、抑或是我们单击了一下鼠标。逻辑处理即是对这些输入进行了一系列的数学运算，比如点击了12306上面的“订票”按钮，后台就要计算当前的余票信息，提交的订票信息，最终告诉你有没有票。“有没有票”即是程序的输出。更广泛意义的讲，输出可能是一个网络消息或修改数据库的某个字段的值（软件的所有输出均限制于计算机世界中，记得当年还曾怀疑过究竟人会不会被计算机病毒感染）。所以有人说了：“程序其实很简单，无非是找个编程语言，写串逻辑，处理下数据，偶尔连下数据库，或跟其它进程通通信”。