今天由于時(shí)間不多，難有旁征博引的長(zhǎng)文來(lái)跟大家解釋清楚計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)，及其對(duì)編程的影響。不過(guò)，有一點(diǎn)自己微小的見解與大家分享。雖然微小，但確實(shí)給自己減輕了很多在技術(shù)方面的理解成本和成長(zhǎng)負(fù)擔(dān)。個(gè)人覺得也應(yīng)是有些分享價(jià)值的。

現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)從二十世紀(jì)四十年代末發(fā)展至今，以EDVAC計(jì)算機(jī)為標(biāo)志，到目前為止67年間計(jì)算機(jī)硬件體系的核心都未曾發(fā)生過(guò)變化，都是馮諾依曼體系的。注意這里說(shuō)的是EDVAC而非第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)ENIAC。EDVAC于1949年交付，1951年正式運(yùn)行，1961年完成使命退出歷史舞臺(tái)。

本小節(jié)的目的是為了解決大家常有的疑惑：現(xiàn)代編程語(yǔ)言和軟件都是逐步迭代的方式演進(jìn)，那最早最早的編程語(yǔ)言和操作系統(tǒng)是怎么來(lái)的？ 越是追溯事物的起源，越是能發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)。

先提及一下EDVAC服役的這幾年（1949-1961）間出現(xiàn)過(guò)的，至今影響深遠(yuǎn)的編程語(yǔ)言。在這12年間，與硬件平臺(tái)強(qiáng)相關(guān)的特定匯編于1949年最早出現(xiàn)，1951年各種匯編方言開始興起。Fortran于1954年開始開發(fā)，1957年正式由IBM發(fā)布。約翰·麥卡錫于1958年基于IPL語(yǔ)言發(fā)明了Lisp函數(shù)式編程語(yǔ)言，主要用于人工智能。同年， ALGOL也誕生了。1959年COBOL也問(wèn)世。Fortran、Lisp、ALGOL，就是后來(lái)幾乎所有高級(jí)編程語(yǔ)言的鼻祖，它們至今自己也發(fā)揮著巨大的作用。

最早的都是用機(jī)器語(yǔ)言通過(guò)穿孔卡片的形式搞出來(lái)的，像Fortran早期都是穿孔卡片進(jìn)行編程。后來(lái)的新語(yǔ)言和新系統(tǒng)，都是基于前輩們自舉而來(lái)。有了編程語(yǔ)言之后，程序，包括操作系統(tǒng)程序是如何誕生出來(lái)的就可想而知。

編程語(yǔ)言和軟件自舉的過(guò)程。純手工用穿孔紙的形式用機(jī)器語(yǔ)言編寫了早期的具有特定功能的程序，比如存粹為了計(jì)算導(dǎo)彈等軍事用途的程序。后來(lái)為了編程方便，各類匯編方言誕生，所以同樣純手工機(jī)器碼編程寫個(gè)匯編翻譯器，能把匯編源碼翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，故而就能用匯編語(yǔ)言來(lái)寫各種各樣的特定功能的程序了。因?yàn)閰R編語(yǔ)言翻譯之后得到的最終程序是機(jī)器可直接執(zhí)行的機(jī)器碼，所以用匯編1.0寫個(gè)匯編2.0翻譯器也沒問(wèn)題的，匯編2.0成熟后，就能完全拋棄匯編匯編1.0了。同樣的，直接用機(jī)器碼或者匯編語(yǔ)言，寫個(gè)A語(yǔ)言的編譯器也沒問(wèn)題，A語(yǔ)言編譯器穩(wěn)定之后，也可以用A語(yǔ)言來(lái)寫A語(yǔ)言自己的編譯器，用匯編寫的A語(yǔ)言編譯器就可以拋棄了。

如雷貫耳的C語(yǔ)言，就是按上述過(guò)程基于CPL和BCPL語(yǔ)言發(fā)展而來(lái)的，后來(lái)很多語(yǔ)言用C寫第一版編譯器也不足為奇了，比如Python官方實(shí)現(xiàn)就一直用的是C，而Pypy是用Python自舉的。

首先要明確一點(diǎn)，馮諾依曼體系因其設(shè)計(jì)EDVAC時(shí)而系統(tǒng)提出來(lái)的，但是其中的核心思想和觀念，絕不是馮諾依曼一人靈光乍現(xiàn)的個(gè)人杰作。有很多前輩們的努力，馮諾依曼是那個(gè)有機(jī)會(huì)總結(jié)并在大型項(xiàng)目中實(shí)踐的幸運(yùn)兒。

在本人理解來(lái)看，計(jì)算機(jī)拋開外圍設(shè)備后，最核心的東西就是運(yùn)算器和存儲(chǔ)器。 簡(jiǎn)言之，運(yùn)算與存儲(chǔ)�？刂破魇强梢詥为�(dú)列出來(lái)的，但是由于控制器本質(zhì)就是根據(jù)不同的判定條件選擇不同的處理過(guò)程，和一般的運(yùn)算沒有根本上的區(qū)別，我把它粗略地歸為運(yùn)算類。這樣歸納也是有理由的，因?yàn)樵谠缙诘臋C(jī)電計(jì)算機(jī)中，有運(yùn)算器和存儲(chǔ)器就完全可以工作了（后來(lái)有了晶體管的計(jì)算機(jī)稱為電子計(jì)算機(jī)）。

這樣的簡(jiǎn)化的作用是為了減輕對(duì)計(jì)算機(jī)體系的理解成本，如何個(gè)減輕法，請(qǐng)繼續(xù)看后文。

關(guān)鍵字：程序亦數(shù)據(jù)、二進(jìn)制、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器。

其中進(jìn)制不必多談，以后會(huì)發(fā)文專門談?wù)劄楹畏且�是二進(jìn)制在這種體系結(jié)構(gòu)下最恰當(dāng)，可不僅僅是高電平、低電平那么表面的解釋。程序亦是數(shù)據(jù)，這原本是指馮諾依曼體系中程序和數(shù)據(jù)無(wú)差別對(duì)待，一起存放在存儲(chǔ)器里就行。但我們可以從這條延伸出很多編程上的思想，程序就是指令集，指令等同于數(shù)據(jù)對(duì)待時(shí)，問(wèn)題就會(huì)簡(jiǎn)化很多，也會(huì)靈活很多。

函數(shù)式編程語(yǔ)言說(shuō)函數(shù)是一等公民，而一個(gè)函數(shù)本就是一段程序，當(dāng)有了“程序亦數(shù)據(jù)”的思想后，拿函數(shù)作為入?yún)�傳�?lái)傳去不是很自然地事嗎？不知道當(dāng)初Lisp的誕生，有沒有受到這一點(diǎn)的啟發(fā)，也許Lisp純粹是按數(shù)學(xué)上對(duì)待函數(shù)的態(tài)度來(lái)的。不過(guò)應(yīng)了我常說(shuō)那句話：世界是圓的。

同理，面向?qū)ο缶幊痰恼Z(yǔ)言中，一個(gè)對(duì)象本就是一組數(shù)據(jù)和其操作的封裝，把對(duì)象當(dāng)做參數(shù)傳來(lái)傳去也在情理之中。命令式語(yǔ)言把命令當(dāng)做數(shù)據(jù)操作，這本就是它們的工作方式，由計(jì)算機(jī)硬件組成結(jié)構(gòu)而來(lái)的工作方式。

曾經(jīng)在”細(xì)學(xué)Python”QQ群里問(wèn)群友，大家覺得存儲(chǔ)的本質(zhì)是為了什么？回答五花八門，有的說(shuō)是為了賺錢讓公司不倒閉，那為什么、憑什么能賺錢了？有的說(shuō)是為了再利用，再利用來(lái)干什么？有的說(shuō)是為了備份。有的說(shuō)是為了能給程序處理，各種各種。這些回答都是有道理的，但是從一種“事物原本”的角度來(lái)講，不是很到位。

不論是外存、內(nèi)存、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、瀏覽器端的Cookie、服務(wù)端的Session、磁盤上的文件等等，乃至是超越計(jì)算機(jī)體系之外，人腦中的記憶，各種各樣，五花八門的存儲(chǔ)形式，都有一個(gè)共同點(diǎn)：為了狀態(tài)的延續(xù)。不論是從運(yùn)行原理上、業(yè)務(wù)邏輯上、商業(yè)目的上等各種層次各種維度來(lái)觀察，這個(gè)結(jié)論都能得到解釋。

瀏覽器端的Cookie和服務(wù)端的Session不必多說(shuō)，為了使用戶的登錄狀態(tài)得以延續(xù)；程序運(yùn)行時(shí)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是為了程序的運(yùn)行時(shí)狀態(tài)得以延續(xù)；電腦關(guān)機(jī)以后要將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)回寫磁盤，是為了下次開機(jī)后能夠延續(xù)上一次關(guān)機(jī)前的開機(jī)狀態(tài)；數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，是為了讓業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)狀態(tài)、業(yè)務(wù)邏輯狀態(tài)不斷延續(xù)；人腦能夠根據(jù)存儲(chǔ)的記憶觸景生情，是為了在若干時(shí)間后延續(xù)之前的那種情緒狀態(tài)，比如運(yùn)動(dòng)員若干年后看著自己曾經(jīng)拿到的金牌能夠置身于當(dāng)初得獎(jiǎng)的喜悅感受中。還有很多例子拿來(lái)解釋。

在上一篇《編程到底是個(gè)什么玩意》中已經(jīng)說(shuō)了一條很重要的原則：事物是分層次的，軟件也是。層次思維明晰的話，就容易思考清楚很多軟件中的架構(gòu)和設(shè)計(jì)。

編程語(yǔ)言各種各樣，之前我們已經(jīng)談過(guò)了程序的共同本質(zhì)，那么硬件體系對(duì)編程有什么影響呢？首先是硬件的可能性直接決定了軟件的可能性。其次，既然硬件體系可歸納為兩大類：運(yùn)算器與存儲(chǔ)器。那么軟件體系也逃不脫這兩大類，做運(yùn)算的與做存儲(chǔ)的。

運(yùn)算與存儲(chǔ)，就好比是兩個(gè)基本元素，它們?cè)谟布�體系中存在，也在軟件體系中存在。它們還能夠按層次組織，大層次的元素可以囊括小層次的元素。舉個(gè)例子：MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)從宏觀看是一個(gè)存儲(chǔ)程序，而要讓MySQL這個(gè)級(jí)別的程序正確工作，只有一個(gè)層次是不可能的，它必須包含運(yùn)算類的模塊（按上文所述，控制類的也屬于此），也包含了存儲(chǔ)類的模塊，還有各種不同的層次逐級(jí)分下來(lái)，最終落實(shí)到MySQL的每一行源代碼，哪函數(shù)是是它所在的那個(gè)級(jí)別的存儲(chǔ)作用的，哪個(gè)函數(shù)是該級(jí)別的運(yùn)算作用的；某個(gè)函數(shù)中，哪一行數(shù)和存取數(shù)據(jù)相關(guān)的，哪一行是與運(yùn)算數(shù)據(jù)相關(guān)的……最終，指令而且還會(huì)落實(shí)到硬件上的運(yùn)算器與存儲(chǔ)器上。

還有一個(gè)很明確的編程指導(dǎo)思路：從程序功能講，你所要完成的項(xiàng)目應(yīng)該歸為運(yùn)算類還是存儲(chǔ)類？當(dāng)要做模塊拆分時(shí)，這兩種分類又能指導(dǎo)你進(jìn)行模塊劃分。為了更清晰，你可以按運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器三種來(lái)分。再往下可以指導(dǎo)你的類、函數(shù)的劃分，再往下就能指導(dǎo)代碼的編寫，哪一行該操作哪個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，它存在于哪里？要經(jīng)過(guò)怎么樣的運(yùn)算，要到哪里去？……

當(dāng)軟件需要優(yōu)化時(shí)，有兩個(gè)大方向可以考慮，是運(yùn)算需要優(yōu)化，還是存儲(chǔ)需要優(yōu)化？假如當(dāng)運(yùn)算需要優(yōu)化時(shí)，哪個(gè)級(jí)別負(fù)責(zé)運(yùn)算的程序需要優(yōu)化？要優(yōu)化這個(gè)級(jí)別的運(yùn)算，那其子級(jí)別中的運(yùn)算和存儲(chǔ)兩大類程序又是哪類更應(yīng)該優(yōu)化？當(dāng)程序功能不足需要添加功能時(shí)，要添加充當(dāng)運(yùn)算角色的功能呢？還是要添加充當(dāng)控制角色的？抑或是要充當(dāng)存儲(chǔ)功能的？……

有的同學(xué)可能會(huì)想，像WEB界面的內(nèi)容，應(yīng)該歸為哪類？宏觀看，WEB界面只是服務(wù)端輸出的結(jié)果，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)I/O這種方式暫時(shí)存放到了客戶端，瀏覽器把這些數(shù)據(jù)處理渲染給了終端用戶。網(wǎng)絡(luò)I/O屬于我理解的計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，當(dāng)然，非要?jiǎng)澐謧�(gè)歸類，那應(yīng)當(dāng)歸為存儲(chǔ)類。

無(wú)需多言，將會(huì)指導(dǎo)我們定義程序中的數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化數(shù)據(jù)的的核心指南。你希望程序這一刻是個(gè)什么狀態(tài)？經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，下一刻又是一個(gè)什么狀態(tài)？要不要延續(xù)？那些基本數(shù)據(jù)齊活了以后才能使這個(gè)狀態(tài)得以延續(xù)？如果1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就能讓狀態(tài)延續(xù)下去，用1KB數(shù)據(jù)來(lái)解決問(wèn)題是不是有些浪費(fèi)？

在有些程序里，磁盤IO速度不足，滿足不了CPU的處理速度，那怎么辦？那是CPU里的計(jì)算狀態(tài)延續(xù)不下去了，出現(xiàn)等待磁盤IO的斷檔，很明顯的優(yōu)化思路就是增加一種程序來(lái)解決這個(gè)事情。增加運(yùn)算類的程序能解決這個(gè)問(wèn)題嗎？看樣子不太行，應(yīng)為CPU作為運(yùn)算器的存在它已經(jīng)有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)了。那就加存儲(chǔ)類程序唄，用內(nèi)存來(lái)做存儲(chǔ)嘛，好像問(wèn)題可以得解了。

如果隨著程序發(fā)展，又滿足不了了怎么辦？換性能更好的存儲(chǔ)器，一種存儲(chǔ)器解決不了的問(wèn)題就兩種存儲(chǔ)器解決，兩種存儲(chǔ)器解決不了的就三種來(lái)解決…… 君不見，這就是馮諾依曼體系下的硬件發(fā)展與軟件優(yōu)化趨勢(shì)，硬件中的多級(jí)緩存，從CPU到內(nèi)存到磁盤，軟件中的多級(jí)緩存從應(yīng)用程序到數(shù)據(jù)庫(kù)程序到操作系統(tǒng)程序，無(wú)處不在……

以后再發(fā)文說(shuō)說(shuō)多級(jí)緩存的事。

另外，存儲(chǔ)是為了狀態(tài)延續(xù)這條指導(dǎo)規(guī)則，還可以發(fā)揮更多的作用，比如在數(shù)據(jù)災(zāi)難恢復(fù)、程序不間斷服務(wù)而切換存儲(chǔ)介質(zhì)或者切換數(shù)據(jù)庫(kù)上。大家可以發(fā)揮一下，不再多寫。

本文也許有些同學(xué)看起來(lái)就是“假大空”，原因之一是確實(shí)篇幅有限，不能再多啰嗦；其二是偏理論經(jīng)驗(yàn)性的闡述，而缺少實(shí)例；其三是這部分同學(xué)可能編程經(jīng)驗(yàn)還不足。