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一提到“编程”“程序设计”“C/C++”等，我想大家都会联想到很多东西，为常见的就是IT男、程序猿、电脑大拿等等。
程序设计真的很难吗？什么样的学生适合学？什么样的学法轻松？
熬夜是程序猿的日常
年龄
其实啊，程序设计并没有那么遥不可及，小学四年级以后就可以接触程序设计了。为什么要是四年级呢，因为四年级的学生，数学知识已经有了一定的积累，可以应对程序设计所需的低要求，同时英语也有了一定量的单词储备，在学习程序设计语言的时候不会太困难。dunsijiaoyu zz
开发一种编程语言是可以赚钱的，你信吗？
实际上开发一种新的语言意味着建立自己的“统一标准”（说起标准就不得不谈高通了，高通从“标准”上捞了多少银子？），一方面可以方便维护自己的产品，另一方面可以借助市场地位程序员学习某种语言进而达到自己（至少在某一领域）的霸主地位。为什么这么多年以来微软对BASIC情有独钟？在DOS时代，QBASIC——一种BASIC的变种，是每台PC上必装应用，也是当时很多人必学的一种语言，QBASIC无论是从程序执行效率还是语言的思维性上都不好，但是因为是预装的，本着“不够好但够用”的原则，许多用户居然凑合下来了（惭愧本人就是从QBASIC开始接触编程的）！这恐怕和IE用户如此众多的原因是异曲同工的吧？就这样QBASIC居然一时成为了受欢迎的入门编程语言工具。
到后来，微软推出Visual Basic实际上是为了和Borland（现已被收购）的Delphi竞争入门级编程工具市场（在相当长的一段时间内VB都不是Delphi的对手，可以参见本人的另一片随笔《Borland和Microsoft的对话》，这直接导致了C#的诞生——C#——一种C++、Java、Object Pascal的到的混血儿），凭借自己在BASIC用户上的积累，在RAD领域混得不错了，微软又趁热打铁的推出了VBS/VBE、VBA等等脚本语言，目的就是拉拢自己的VB用户，使这种糟糕的语言能够勉勉强强适应系统GUI编程、办公套件编程、数据库编程，好了现在形成了一个有机的整体。一个程序员要么学多种语言来完成不同的任务，要么学一种不够好但够用的语言——然后，一招鲜，吃遍天……学习一种语言的成本是很高的（要时间和电费），所以有很多程序员会选择微软的这一标准。还有近几年大红的Object-C、Swift、Go，虽然名义上是开源的，但是谁知道他们的真正目的？除此之外，还有很多DSL（Domain-Specific Language，专业领域语言），比如sed和awk是为了处理文本，PHP是为了处理Web开发、Emacs Lisp和Vim脚本是为了扩展编辑器功能，tScript是为了排版，batch和各种shell script是为了shell编程等等。这里介绍一个典型：Adobe的ActionScript，它的作用就是为了支持Adobe自己的Flash，主要用于Flas和应用程序，不论ActionScript语言自身发展的多好不过是一个扩展罢了
根据冯·诺依曼思想，计算机采用二进制作为数制基础，必须包含：运算器、控制器、存储设备，以及输入输出设备，如下图所示。
程序设计的5个底层逻辑，决定你能走多快
我们先来分析 CPU 的工作原理，现代 CPU 芯片中大都集成了，控制单元，运算单元，存储单元。控制单元是 CPU 的控制中心， CPU 需要通过它才知道下一步做什么，也就是执行什么指令，控制单元又包含：指令寄存器（IR ），指令译码器（ ID ）和操作控制器（ OC ）。
当程序被加载进内存后，指令就在内存中了，这个时候说的内存是独立于 CPU 外的主存设备，也就是 PC 机中的内存条，指令指针寄存器IP 指向内存中下一条待执行指令的地址，控制单元根据 IP寄存器的指向，将主存中的指令装载到指令寄存器。
这个指令寄存器也是一个存储设备，不过他集成在 CPU 内部，指令从主存到达 CPU 后只是一串 010101 的二进制串，还需要通过译码器解码，分析出操作码是什么，操作数在哪，之后就是具体的运算单元进行算术运算（加减乘除），逻辑运算（比较，位移）。而 CPU 指令执行过程大致为：取址（去主存获取指令放到寄存器），译码（从主存获取操作数放入高速缓存 L1 ），执行（运算）。
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这里解释下上图中 CPU 内部集成的存储单元 SRAM ，正好和主存中的 DRAM 对应， RAM 是随机访问内存，就是给一个地址就能访问到数据，而磁盘这种存储媒介必须顺序访问，而 RAM 又分为动态和静态两种，静态 RAM 由于集成度较低，一般容量小，速度快，而动态 RAM 集成度较高，主要通过给电容充电和放电实现，速度没有静态 RAM 快，所以一般将动态 RAM 做为主存，而静态 RAM 作为 CPU 和主存之间的高速缓存 （cache），用来屏蔽 CPU 和主存速度上的差异，也就是我们经常看到的 L1 ， L2 缓存。每一级别缓存速度变低，容量变大。
下图展示了存储器的层次化架构，以及 CPU 访问主存的过程，这里有两个知识点，一个是多级缓存之间为保证数据的一致性，而推出的缓存一致性协议，具体可以参考这篇文章，另外一个知识点是， cache 和主存的映射，首先要明确的是 cah 缓存的单位是缓存行，对应主存中的一个内存块，并不是一个变量，这个主要是因为 CPU 访问的空间局限性：被访问的某个存储单元，在一个较短时间内，很有可能再次被访问到，以及空间局限性：被访问的某个存储单元，在较短时间内，他的相邻存储单元也会被访问到。
而映射方式有很多种，类似于 cache 行号 = 主存块号 mod cache总行数 ，这样每次获取到一个主存地址，根据这个地址计算出在主存中的块号就可以计算出在 cache 中的行号。
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下面我们接着聊 CPU 的指令执行。取址、译码、执行，这是一个指令的执行过程，所有指令都会严格按照这个顺序执行。但是多个指令之间其实是可以并行的，对于单核 CPU 来说，同一时刻只能有一条指令能够占有执行单元运行。这里说的执行是 CPU 指令处理 （取指，译码，执行） 三步骤中的第三步，也就是运算单元的计算任务。
所以为了提升 CPU 的指令处理速度，所以需要保证运算单元在执行前的准备工作都完成，这样运算单元就可以一直处于运算中，而刚刚的串行流程中，取指，解码的时候运算单元是空闲的，而且取指和解码如果没有命中高速缓存还需要从主存取，而主存的速度和 CPU 不在一个级别上，所以指令流水线 可以大大提高 CPU 的处理速度，下图是一个流水线的示例图，而现在的奔腾 CPU 都是32级流水线，具体做法就是将上面三个流程拆分的更细。
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除了指令流水线， CPU 还有分支预测，乱序执行等优化速度的手段。好了，我们回到正题，一行 Java 代码是怎么执行的？
一行代码能够执行，必须要有可以执行的上下文环境，包括：指令寄存器、数据寄存器、栈空间等内存资源，然后这行代码必须作为一个执行流能够作系统的任务调度器识别，并给他分配 CPU 资源，当然这行代码所代表的指令必须是 CPU 可以解码识别的，所以一行 Java 代码必须被解释成对应的 CPU 指令才能执行。下面我们看下System.out.println("Hello world")这行代码的转译过程。
Java 是一门高级语言，这类语言不能直接运行在硬件上，必须运行在能够识别 Java 语言特性的虚拟机上，而 Java 代码必须通过 Java 编译器将其转换成虚拟机所能识别的指令序列，也称为 Java 字节码，之所以称为字节码是因为 Java 字节码的操作指令（OpCode）被固定为一个字节，以下为 System.out.println("Hello world") 编译后的字节码：
0x00: b2 00 02 getstatic Java .lang.System.out
0x03: 12 03 ldc "Hello， World!"
0x05: b6 00 04 invokevirtual Java .io.PrintStream.println
0x08: b1 return
左列是偏移；中间列是给虚拟机读的字节码；右列是高级语言的代码，下面是通过汇编语言转换成的机器指令，中间是机器码，第三列为对应的机器指令，后一列是对应的汇编代码：
0x00: 55 push rbp
0x01: 48 89 e5 mov rbp，rsp
0x04: 48 83 ec 10 sub rsp，0x10
0x08: 48 8d 3d 3b 00 00 00 lea rdi，[rip+0x3b]
; 加载 "Hello， World!\n"
0x0f: c7 45 fc 00 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4]，0x0
0x16: b0 00 mov al，0x0
0x18: e8 0d 00 00 00 call 0x12
; 调用 printf 方法
0x1d: 31 c9 xor ecx，ecx
0x1f: 89 45 f8 mov DWORD PTR [rbp-0x8]，eax
0x22: 89 c8 mov eax，ecx
0x24: 48 83 c4 10 add rsp，0x10
0x28: 5d pop rbp
0x29: c3 ret
JVM 通过类加载器加载 class 文件里的字节码后，会通过解释器解释成汇编指令，终再转译成 CPU 可以识别的机器指令，解释器是软件来实现的，主要是为了实现同一份 Java 字节码可以在不同的硬件平台上运行，而将汇编指令转换成机器指令由硬件直接实现，这一步速度是很快的，当然 JVM 为了提高运行效率也可以将某些热点代码（一个方法内的代码）一次全部编译成机器指令后然后在执行，也就是和解释执行对应的即时编译（JIT）， JVM 启动的时候可以通过 -Xint 和 -Xcomp 来控制执行模式。
从软件层面上， class 文件被加载进虚拟机后，类信息会存放在方法区，在实际运行的时候会执行方法区中的代码，在 JVM 中所有的线程共享堆内存和方法区，而每个线程有自己独立的 Java 方法栈，本地方法栈（面向 native 方法），PC寄存器（存放线程执行位置），当调用一个方法的时候， Java 虚拟机会在当前线程对应的方法栈中压入一个栈帧，用来存放 Java 字节码操作数以及局部变量，这个方法执行完会弹出栈帧，一个线程会连续执行多个方法，对应不同的栈帧的压入和弹出，压入栈帧后就是 JVM 解释执行的过程了。
程序设计的5个底层逻辑，决定你能走多快
中断
刚刚说到， CPU 只要一上电就像一个永动机， 不停的取指令，运算，周而复始，而中断便是操作系统的灵魂，故名思议，中断就是打断 CPU 的执行过程，转而去做点别的。
例如系统执行期间发生了致命错误，需要结束执行，例如用户程序调用了一个系统调用的方法，例如mmp等，就会通过中断让 CPU 切换上下文，转到内核空间，例如一个等待用户输入的程序正在阻塞，而当用户通过键盘完成输入，内核数据已经准备好后，就会发一个中断信号，唤醒用户程序把数据从内核取走，不然内核可能会数据溢出，当磁盘报了一个致命异常，也会通过中断通知 CPU ，定时器完成时钟滴答也会发时钟中断通知 CPU 。
中断的种类，我们这里就不做细分了，中断有点类似于我们经常说的驱动编程，而这个通知机制是怎么实现的呢，硬件中断的实现通过一个导线和 CPU 相连来传输中断信号，软件上会有特定的指令，例如执行系统调用创建线程的指令，而 CPU 每执行完一个指令，就会检查中断寄存器中是否有中断，如果有就取出然后执行该中断对应的处理程序。
陷入内核 : 我们在设计软件的时候，会考虑程序上下文切换的频率，频率太高肯定会影响程序执行性能，而陷入内核是针对 CPU 而言的， CPU 的执行从用户态转向内核态，以前是用户程序在使用 CPU ，现在是内核程序在使用 CPU ，这种切换是通过系统调用产生的。
系统调用是执行操作系统底层的程序，Linux的设计者，为了保护操作系统，将进程的执行状态用内核态和用户态分开，同一个进程中，内核和用户共享同一个地址空间，一般 4G 的虚拟地址，其中 1G 给内核态， 3G 给用户态。在程序设计的时候我们要尽量减少用户态到内核态的切换，例如创建线程是一个系统调用，所以我们有了线程池的实现。
好 了，已经介绍完了实用目的、学术目的、商业及特殊需要，相信各位对“为什么会有这么多种程序设计语言”这个问题有了更深刻的理解，也可能有了更多的疑惑。 如果你有任何疑惑或者愿意和我交流，欢迎留言。对了，除了我说的三个目的之外还有没有别的创造新语言的原因？有，我自己设计了一种名为Grove的语言，用“树”来完成过程编程和lambda表达式，改天把解释器的发出来交流一下。我的目的呢？Just for fun…
不要想你能为做什么，想想你该为做什么！
