程序之下：计算机的三层抽象与性能优化的底层逻辑

第一章：计算机抽象

你有没有好奇过，计算机是如何读懂你写的代码的？它是如何将高级语言转换成转换成硬件调用的？大部分人只是负责调用，却并没有真正的了其的原理，这篇文章将告诉你“程序之下”还有什么以及如何定义计算机的性能。

程序之下

三层抽象

你有没有想过，你的计算机是什么？计算机，本质而言 ，由一堆硬件组合而成，处理0和1的系统。我们可以把咱的笔记本抽象成三个层次： 应用软件、系统软件、硬件。

应用软件就是程序员写的一本功能复杂的说明书，但这本说明书是用程序员的语言写的，计算机读不懂。而系统软件，就是应用软件和硬件之间的桥梁，它负责将晦涩的说明书翻译成简单易懂的01串。硬件负责执行任务，比如屏幕的显示，音乐播放以及计算。它像一个大汉，不会犯错，干起活来贼猛，但是你得用它的语言告诉它该怎么做，如何调用它的资源，它才能发挥它的优势。这三个抽象层中，哪一个最重要？答案见仁见智，不过技术发展的角度来看，最先被AI吃掉的，是最外面一层。其中有一个原因很有趣：它对我们来说最容易上手。

应用软件与大家生活最近，最常见的如各种游戏软件、社交软件、搜索引擎。系统软件，就稍微陌生一些了，很多人在使用系统软件时，一头雾水。举个列子，我还记得，我第一次使用 git 上传文件到github的时候，基于操作系统的语言，第一时间，让我难以适应。硬件，我愿称之为“熟悉的陌生人”。说它熟悉，因为很多人，都在用它（比如鼠标、键盘、屏幕），很多人也能说过它的名字（cpu, gpu）, 但是你能了解他们的工作原理吗？我想答案是否定的。这也是为什么搞硬件的人很吃香，人们因为瞧不起硬件（鼠标、键盘、屏幕）或者觉得应用简单（cpu, gpu）都去搞纯软件去了。

系统软件呢？应用软件，在大框架不变的情况下，这个方向是饱和的。为什么？ 我们接着往下看。系统软件有很多，其中，最重要的两个就是操作系统和编译器。 他们的主要任务就是处理基本输入和输出操作，分配外存和内存，为多个应用程序提供共享计算资源服务，换句话说，它是纯软和纯硬件之间的接口。 当前我们使用的操作系统是 Linux, IOS 和 Windows,在大根基不变的情况下，是不会出现其他操作系统的，因为工程量太大、难度高。除了华为，没人敢做，想做，和有能力做这方面的尝试。

另一个就是编译器，它将高级语言（C、C++、Java、python）等编写的程序翻译成硬件能够执行的指令，这个过程非常复杂，我们这里简要介绍，后面出一期详细介绍。

从高级语言到硬件语言

计算机只能够读懂二进制数据，并且按照指令的位段，提出相应的数据，执行对应的操作（计算、移位、存取）。如 1001010100101110 将告诉计算机将两个数相加。使用数字即表示指令又表示数据是计算机的基础。后面我会出文章详细介绍指令，感兴趣的朋友点赞关注不迷路。

很显然，一堆字符串很无聊，而且可读性很差，所以有了后来汇编器（assembler）的软件，负责将助记形式的指令，翻译成对应二进制。告诉计算机将A,B两个数相加。

 add A,B  --> 1001010100101110

然而，这还不够，理解上还不够直观，所以后来人们利用编译器，发明了高级编程语言如C++、C、Java等可移植语言，有一些单词和代数符号组成。编译器会将其转换成汇编语言。

A + B -->add A, B

到这里，或许你大概有头绪了。当我们运行代码的时候，我们编译器会检查语法，然后将我们编写的高级语言翻译成成汇编语言。然后在汇编器的帮助下，汇编语言会被翻译成计算能够读懂的指令。这些指令会被存在内存里，每一个时钟周期，CPU会从取出这些指令完成相应的操作。 过程如下：

​

性能

谈到这计算机，大家喜欢拼的就是性能。如何定义性能呢？可以像赛跑一样，我们比较执行相同的程序，然后比较执行所用的时间，也就是从速度的观点去理解，CPU常用这个方法比较。还有一种角度，即吞吐量的角度，比如一个时钟周期可以执行多少指令，GPU的核心思想就是这样。还是不太能偶理解？ 比如，把450个游客从上海运到北京有很多方法，用飞机或者高铁运，或许一趟就够了；如果用小车运的话，需要来回几趟。

我们从速度的角度考虑性能：

​ $性能=\frac{1}{执行时间}$

请看下面一个例题：

如果计算机A运行一个程序需要10秒，而计算机B需要15秒，那么计算机A比计算机B快多少？

​ $\frac{性{能}_A}{性{能}_B}$