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守破离

学编程学化学学开车

读者问

• 波波老师您好，我是学习编程不久的非科班学生。在写代码的这些日子里，我感到非常困惑：书写的代码逻辑，怎么就能被计算机给执行了？从点击执行的一刹那，计算机的内部又发生怎样的不为人知的故事？

• 我似乎可以编写一些逻辑，让计算机帮我做一些事情，但是它怎么帮我做的，这一点好像完全对我屏蔽了。书上说一行行代码，不过是一行行的字符串。但这些字符串是怎么深入到计算机的内部，控制了处理器的执行呢？‍

• 我知道这个问题跨度很大，不知道想要把“计算机从通上电的那一刻开始，整个系统是如何运行的”搞清楚，需要学习哪些知识，从哪里开始学习？

bobo 老师的回答：

• 是的。我们书写的程序只不过是字符串而已。这些字符串是怎么被计算机执行的？这是编译原理领域处理的问题。

• 编译器通常只是将我们书写的高级程序转换成汇编语言，计算机需要通过汇编器，再转换成计算机真正可以理解的零和一。

• 当然，不同语言的这个中间过程可能并不一样，但不管怎样，汇编语言是一种公认的介于高级语言和机器识别的零和一（机器语言）之间的桥梁，所以掌握汇编语言，会对你理解高级语言的运行机制，包括计算机的底层原理，有更深刻的认识。

• 尽管如此，在执行汇编程序的过程中，仍有很多内容计算机对我们屏蔽了。比如分配内存，计算机到底是怎么分配内存的？这些内容，是操作系统这个领域处理的问题。

• 实际上，从汇编语言转换到零和一，需要操作系统的介入。也正是这个原因，才存在系统相关这个概念。

• 那计算机到底是怎么解析这些零和一的？为什么一堆零和一对计算机来说是有意义的？这背后要学习的内容，叫计算机体系结构。计算机体系结构会告诉你计算机执行这些零和一的完整过程。

• 但是，在计算机体系结构的世界里，CPU 就是CPU。可现实世界是复杂的，CPU 有不同的架构，x86？arm？i586？虽然大多数程序员不太会学习不同架构的具体指令集区别，但是，为什么会有这些架构上的区别？指令集到底是怎么回事？这部分知识通常会在一个叫做微机原理的课程中学习。

• 学习微机原理，就已经接触到芯片的底层逻辑了。可是芯片到底是怎么设计的？怎么优化的？这部分学习，涵盖在一门称为数字逻辑的课程中。值得一提的是，我个人特别喜欢数字逻辑：）

• 在我上学的年代，学习完上面的全部内容，就可以使用仿真软件，自己设计一个 CPU 了。当然，我们自己设计的 CPU 很简陋，指令集很少，但做完这件事情，就能完全理解计算机到底是如何根据一堆零一，就能完成各种复杂的工作的了。

• 这个课程设计被我评为我本科阶段做过的最有意义的课程设计，没有之一。

• 但是，在仿真软件上做 CPU 模拟，其实还是停留在“逻辑”层面。零和一的解析过程到底在芯片底层，是怎么被元器件们实现出来的？这是模拟电路这门课程要处理的问题。

• 那么这些元器件的底层，又是怎样的过程？这就已经追溯到物理学了。虽然在我上学的时候，大学物理也是计算机专业的必修课，但我学习完大物以后，也没搞懂这些元器件底层的物理原理。

• 我上面讲的这些领域：编译原理，汇编，操作系统，体系结构，微机原理，数字逻辑，模拟电路，物理，至少在我上学的年代，都是科班的必修课。

• 但是在这里，我想特别强调一下，作为转专业的同学，不适合一上来就接触这么底层的知识。还是应该先认真掌握一门编程语言。

• 在学习编程语言的过程中，不仅仅是在学习语法知识，更是在学习基本的逻辑搭建方式；以及不同的编程范式，如面向过程编程，面向对象编程，函数式编程，等等等等。

• 在这个基础上，应该学习基本的算法和数据结构。同时，如果你有很明确的就业方向，应该学习相应的业务框架。比如前端，比如移动开发。

• 这些底层的知识，应该放到最后学习。其实，即使是计算机专业科班的培养计划，也是这么设计的，除了可能不会学习某个特定的业务框架之外。

• 我非常理解很多同学想把底层原理了解得一清二楚的心理，但是有些时候，这些心理会阻止我们前进。

• 所谓完美主义害死人。

• 我在我的文章《如果高效学习有什么秘诀的话，那就都在这里了》，多次强调这一点。

• 在这里，我再随便举两个小例子。

• 第一个例子是学习化学的过程。

• 大多数同学应该都是在初三接触的化学这门学科。我在最初学习化学的时候，觉得非常不适应。

• 为什么？我相信数学比较好的同学都有同感。因为我们学习数学的过程，是从一个一个底层的基本定理一点一点搭建起整个数学体系的，所以逻辑秩序井井有条。尤其是初中学习平面几何的过程，近乎是欧几里得的《几何原本》的另一种呈现，优美至极。

• 但是学习化学却不同。我们初中学习化学，学一章氧气，学一章碳，又学习一章二氧化碳。看起来东一榔头西一棒头，毫无体系逻辑可言。

• 但到了高中，我们就会看到，化学这门学科也是有体系的。

• 这个体系是什么？就是元素周期表。所有的元素整整齐齐地码放在元素周期表这个“化学体系结构”中，每一列元素有着相似的化学性质，每一行元素有着相似的变化关系，井井有条，一清二楚。

• 但是，元素周期表如此有体系，如此清晰，为什么在初中学习化学的时候，不让初中生直接接触？

• 答案是：有体系的底层知识，不意味着简单。

• 实际上，从个体到总体，从特殊到一般，从现象到本质，从一个一个的实例提炼出背后的规律，恰恰是一种非常重要的，通用的，被应用在很多领域的一般学习方法。

• 计算机的世界也是如此。

• 我们学习高级语言的过程中，会学习与和或的逻辑，这些逻辑恰恰是计算机底层各个元器件的逻辑运算基础；

• 我们会学习优先队列或者哈希表这样的数据结构，这些数据结构被大量应用在底层操作系统中；

• 我们会学习值和引用的区别，这在我看来是理解计算机底层内存存储的关键一步…

• 我们接触的所有表象，都是为深入理解底层打基础。

• 很多时候，要想学懂理解底层知识，捷径并非是一头扎入底层的深渊，而是接触更多“表层的知识”，让这些“表层的知识”，带我们一步一步走进底层的世界。

• 第二个例子是我学习开车的过程。

• 在学开车的过程中，我学的是手动挡，死活不能理解离合器这个东西。

• 于是我就问我的教练，离合器到底是个什么玩意儿？

• 我到现在都不确定我那个教练到底懂不懂离合器是个什么玩意儿。反正他跟我解释了一大堆，我天生愚钝，没有懂。

• 我本来以为，如果我不懂离合器的原理，就无法学会开车。但后来，我惊讶地发现，虽然我对离合器的原理一无所知，我也能开车。

• 因为学会开车，不意味着要了解汽车内部每一个零件的工作原理。

• 这是一个非常简单的常识，如果你留心去看，就会发现这个现象出现在我们生活中的每一个角落。

• 为此，我写了一篇文章，叫《学算法有什么用？没用》。

• 当然，大家不要按照标题去理解这篇文章的中心思想。这篇文章的中心思想是：精通算法不一定软件开发者的必须，可是，每一个人必须找到自己的核心竞争力。

• 不管怎么样，在这里，我想强调的是：初学计算机，不应该接触这么底层的，晦涩难懂的问题。

• 其实不仅仅是计算机，在我看来来，学习所有的科目都是如此。

• 最后，我想随便聊一聊，这些底层知识，到底有没有用？

• 这个问题，我觉得在我的文章《学算法有什么用？没用》中，已经说得很清楚了：如果你未来的职业路径是向更深层次的技术进军，或者要去解决一些计算机底层的技术问题，势必有用。

• 即使不是如此，我的体会也是：学好这些内容，再看高层的软件开发的内容，简直是小菜一碟。

• 而且，这些知识近乎永不过时。

• 这类底层原理的课程，是科班专业的灵魂，是科班学生和非科班学生之间最本质的差别。

• 当然，如果你未来的发展方向不是更深入的技术方向，不学他们无妨。

• 很多同学看计算机本科的课程设置，发现学习完以后，既做不出网页，又做不出 App，也做不出游戏，就自以为是地开始“批判教育”。殊不知，他们想要学习的东西，其实去个大专，甚至是培训班，就能轻松学到。

• 对了，我在本科修过一门课程，叫《Flash 设计与开发》。那门课程是我当时学的最 high 的一个课程，做了一段我自认为非常完整的 mv 动画。

• 但现在回头看，那是我本科学过的最没用的课程，没有之一。

• 当然了，每一个个体都是不同的，具体到每一个人身上，这些底层知识到底有没有用，有多大用？每个人应该有属于自己的答案。

• 在这篇文章最开始，我说了那么多的学科：编译原理，汇编，操作系统，体系结构，微机原理，数字逻辑，模拟电路，物理。

• 从我的角度看，我认为数字逻辑之前的所有学科，都对软件工程师非常有帮助；而模拟电路和物理，没有什么用。

• 但有的同学可能会觉得操作系统以后的知识都没什么用。

• 有的同学可能会觉得，模拟电路和大学物理也非常有用。

• 有的同学可能会觉得，所有这些底层知识都没什么用。

• 我觉得这些都是正确答案。

• 这个世界的魅力就在于：每个人都有着属于自己的不同的观点和看法。正是这些不同，催生出了不同的人和事，不同的你和我，不同的成就和结果，我们才有了这个如此丰富多彩的世界。

• 关键是，每个人都应该努力找到自己在这个世界上的位置，去追求真正的自己

• 大家加油！

参考

liuyubobobo微信公众号: 学编程学化学学开车.

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