对计算机专业的认识，对计算机专业的认识和理解
时光不居，几年前就开始梳理计算机科学这门学科，一晃至今我感悟颇多。从最初研究基础理论，到后来项目实践，再到现在重视前沿技术的探索，总感觉学的越多知识却越匮乏。但有一点欣慰的是，刚开始喜欢看各个分支的书籍，现在主打视频学习，手痒了写个demo巩固知识，数学也会涉猎。言归正传，今天我想说说对计算机这门学科的理解。其实非常的浅显，算是科普软文吧。大家轻松点看，何不乐乎？
01
先抛出一个有意思的话题，计算技术哪家强？这个题目肯定是见仁见智。美国作为计算机科学只手遮天的存在，四大名校（MIT、Stanford、CMU、UCBerkeley）自不必说，其实还有其他很多学校也是逆天级的存在，这里不一一详述。国内的话，清华、北大、浙大、上海交通大学的计算机学科实力强劲，发展速度有目共睹。计算机的发展，除了大学的推动，产业界可能发挥着更大的作用。比如早期的IBM、微软、苹果，后来者谷歌、Amazon、facebook等。国内的公司则相形见绌，早期的金山、搜狐、新浪、网易，到BAT，再到新秀字节跳动、美团、京东等，虽然在国际上的影响力有限，但对于中国信息产业和社会事业的进步起到了不可替代的作用。
从一项软件技术的产生，到业界的竞争，再到被采用为标准，是一场没有硝烟的长跑。比如上世纪90年代微软和网景公司竞争浏览器市场份额，再早一些TCP/IP和ATM（异步传输模式）竞争互联网协议标准，几年前facebook、商汤科技、IBM竞争人脸识别专利，都佐证了计算机科学领域技术竞赛之激烈。信息基础设施，像操作系统、编译器、设备驱动、网络协议、路由器、数据库管理系统、浏览器内核等，中国参与制定了并成为事实上的标准不多见。国家在进行顶层设计时，也意识到了这种“卡脖子”的问题，很多诺奖得主、美国科学院院士、计算机行业国际上的名人也提出了基础科学的重要性。国家也有意对科研院所、产业界的基础科技进行大量投入，甚至从小学就培养学生的科学兴趣和创新能力。追本溯源，最终产品的“曲高和寡”在于最初着力于发展科学与技术。
02
计算机笼统地分为硬件和软件，两者就好比人的肉体和思想。一般地，电子工程、自动化偏重于硬件，而计算机科学与技术、软件工程、信息安全等偏重于软件。一台计算机包括CPU、GPU、Cache、内存、固态硬盘（或磁盘）、鼠标、键盘、显示器、网卡、声卡，也可连扫描仪、打印机等。不论是笔记本电脑、平板电脑、智能手机、智能手表、VR设备等，还是工作站、服务器、数据中心、超级计算机等，都属于冯诺依曼计算机体系结构。也就是概括的说，包括处理器、存储器、输入设备和输出设备。说了这么多计算机导论性质的话题，接下来，我想专业一点地谈谈操作系统、编译器、数据库系统、网络协议，权且抛砖引玉。因为自己平时喜欢研究软件，所以硬件知之甚少，就不班门弄斧了。
03
操作系统作为用户和计算机硬件之间地接口，起到了核心作用。应用程序在操作系统之上运行，通过系统调用来管理硬件资源。硬件资源的管理则通过操作系统的调度程序来实现，操作系统把静态的程序映射为动态的进程（或者是线程），调度程序只需要将系统中诸多的进程确立为运行、就绪、阻塞、挂起或结束的状态。对于单核计算机而言，只有1个进程处于运行态，多核计算机则同时每核1个进程处于运行态。系统分为内核态和用户态，一般而言，用户态的进程都会调用内核态的进程。如果程序有异常，或者有中断到来，系统会暂停正在运行的进程，转而去为异常或者中断服务。CPU每个时钟周期都会去检查异常或中断信号，以便及时处理异常和中断。
编译器即将人类友好的程序语言翻译为机器二进制代码，它将整个过程分为多个阶段，如词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、优化、目标代码生成。编译器将应用程序一次性翻译为目标代码，所以变量和函数内存地址的分配是静态的。还有一种翻译器是解释器，解释器是将程序每一行翻译并运行。编译器需要知道程序是否有语法错误，如有语法错误则不能进行下去，也会检查语义，但有些语义只能在运行时才知道。编译器还有一个很重要的工作，即为中间代码选择指令，可能一段代码可以很多种指令序列，但是哪种序列是高效的？如何对中间代码进一步优化，使寄存器的调度最节约时间？诸多问题，编译器都起到作用。
数据库系统，从最早的树状、网状到关系型，再到面向对象、分布式、数据仓库，到现在的键值对缓存数据库，发展迅速。数据库是存储数据的，一个设计良好的数据库既是高效的，又要有一定的冗余，既是完整的，又要考虑性能。一次事务要么全部执行，要么全部不执行，后一种情况通常是因为遇到异常或错误。如何保证读取到的数据是正确的，而不是脏数据？如何保证大量并发访问时，数据库不至于崩溃？如何加锁、锁的粒度如何确定？在分布式数据库中，如何同步子数据库？负载均衡策略如何设计？结点失效时如何保证可用性？
04
ISO网络有七层协议，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，而TCP/IP将后三层统一为应用层。TCP/IP协议是事实上的网络协议标准，因为其简单、实用，而ATM则过于复杂，所以ATM被逐渐弃用。IBM推出的令牌环网络主要用于工业控制领域。普通的计算机都有这七层，而路由器只有物理层、数据链路层和网络层。物理层主要负责电信号在光纤、同轴电缆或者双绞线等电路上的传输，数据链路层上的信号是成帧传输的，网络层主要负责分组的选路、存储和转发，传输层有两个协议很有名，一个为TCP，一个为UDP。TCP是可靠传输协议，表示数据报必须完整正确有序的到达目的地。UDP则不保证这些，只是尽力将数据包传输。应用层编码、解析传输的数据。数据从上至下和从下至上，每经过一层，分别添加一个头部和解除一个头部。网络协议还必须做好拥塞控制和流量控制。
各位朋友，就写这么多了，来日方长，后续会不断推出一些想法与大家分享。计算机科学学习是一个漫长的过程，特别是以全栈开发为目标的小伙伴们，有点熬人。希望看到这里的朋友，关注我的这个公众号，如果你对计算机感兴趣，或者你的孩子们想从事计算机行业，或者你是这个道上的，都可以关注。有了一点知识，我一定及时分享出来！拜拜~ヾ(•ω•`)o
对计算机专业的认识(对计算机专业的认识和理解)