這期內(nèi)容當(dāng)中小編將會給大家?guī)碛嘘P(guān)Java 程序員必須了解的計算機(jī)底層知識，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。
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我們每個程序員或許都有一個夢，那就是成為大牛，我們或許都沉浸在各種框架中，以為框架就是一切，以為應(yīng)用層才是最重要的，你錯了。在當(dāng)今計算機(jī)行業(yè)中，會應(yīng)用是基本素質(zhì)，如果你懂其原理才能讓你在行業(yè)中走的更遠(yuǎn)，而計算機(jī)基礎(chǔ)知識又是重中之重。下面，跟隨我的腳步，為你介紹一下計算機(jī)底層知識。
還不了解 CPU 嗎？現(xiàn)在就帶你了解一下 CPU 是什么
CPU 的全稱是 Central Processing Unit，它是你的電腦中最硬核的組件，這種說法一點不為過。CPU 是能夠讓你的計算機(jī)叫計算機(jī)的核心組件，但是它卻不能代表你的電腦，CPU 與計算機(jī)的關(guān)系就相當(dāng)于大腦和人的關(guān)系。CPU 的核心是從程序或應(yīng)用程序獲取指令并執(zhí)行計算。此過程可以分為三個關(guān)鍵階段：提取，解碼和執(zhí)行。CPU從系統(tǒng)的主存中提取指令，然后解碼該指令的實際內(nèi)容，然后再由 CPU 的相關(guān)部分執(zhí)行該指令。
下圖展示了一般程序的運(yùn)行流程（以 C 語言為例），可以說了解程序的運(yùn)行流程是掌握程序運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)和前提。
在這個流程中，CPU 負(fù)責(zé)的就是解釋和運(yùn)行最終轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言的內(nèi)容。
CPU 主要由兩部分構(gòu)成：控制單元 和 算術(shù)邏輯單元（ALU）
CPU 是計算機(jī)的心臟和大腦，它和內(nèi)存都是由許多晶體管組成的電子部件。它接收數(shù)據(jù)輸入，執(zhí)行指令并處理信息。它與輸入/輸出（I / O）設(shè)備進(jìn)行通信，這些設(shè)備向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)和從 CPU 接收數(shù)據(jù)。
從功能來看，CPU 的內(nèi)部由寄存器、控制器、運(yùn)算器和時鐘四部分組成，各部分之間通過電信號連通。
重慶分公司
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寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部分。它們可以用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址?？梢詫⑵淇醋魇莾?nèi)存的一種。根據(jù)種類的不同，一個 CPU 內(nèi)部會有 20 - 100個寄存器。控制器負(fù)責(zé)把內(nèi)存上的指令、數(shù)據(jù)讀入寄存器，并根據(jù)指令的結(jié)果控制計算機(jī)運(yùn)算器負(fù)責(zé)運(yùn)算從內(nèi)存中讀入寄存器的數(shù)據(jù)時鐘 負(fù)責(zé)發(fā)出 CPU 開始計時的時鐘信號在 CPU 的四個結(jié)構(gòu)中，我們程序員只需要了解寄存器就可以了，其余三個不用過多關(guān)注，為什么這么說？因為程序是把寄存器作為對象來描述的。
不同類型的 CPU ，其內(nèi)部寄存器的種類，數(shù)量以及寄存器存儲的數(shù)值范圍都是不同的。不過，根據(jù)功能的不同，可以將寄存器劃分為下面這幾類
| 種類 | 功能 |
|---|---|
| 累加寄存器 | 存儲運(yùn)行的數(shù)據(jù)和運(yùn)算后的數(shù)據(jù)。 |
| 標(biāo)志寄存器 | 用于反應(yīng)處理器的狀態(tài)和運(yùn)算結(jié)果的某些特征以及控制指令的執(zhí)行。 |
| 程序計數(shù)器 | 程序計數(shù)器是用于存放下一條指令所在單元的地址的地方。 |
| 基址寄存器 | 存儲數(shù)據(jù)內(nèi)存的起始位置 |
| 變址寄存器 | 存儲基址寄存器的相對地址 |
| 通用寄存器 | 存儲任意數(shù)據(jù) |
| 指令寄存器 | 儲存正在被運(yùn)行的指令，CPU內(nèi)部使用，程序員無法對該寄存器進(jìn)行讀寫 |
| 棧寄存器 | 存儲棧區(qū)域的起始位置 |
其中程序計數(shù)器、累加寄存器、標(biāo)志寄存器、指令寄存器和棧寄存器都只有一個，其他寄存器一般有多個。
下面就對各個寄存器進(jìn)行說明
程序計數(shù)器(Program Counter)是用來存儲下一條指令所在單元的地址。
程序執(zhí)行時，PC的初值為程序第一條指令的地址，在順序執(zhí)行程序時，控制器首先按程序計數(shù)器所指出的指令地址從內(nèi)存中取出一條指令，然后分析和執(zhí)行該指令，同時將PC的值加1指向下一條要執(zhí)行的指令。
我們還是以一個事例為準(zhǔn)來詳細(xì)的看一下程序計數(shù)器的執(zhí)行過程
這是一段進(jìn)行相加的操作，程序啟動，在經(jīng)過編譯解析后會由操作系統(tǒng)把硬盤中的程序復(fù)制到內(nèi)存中，示例中的程序是將 123 和 456 執(zhí)行相加操作，并將結(jié)果輸出到顯示器上。
地址 0100 是程序運(yùn)行的起始位置。Windows 等操作系統(tǒng)把程序從硬盤復(fù)制到內(nèi)存后，會將程序計數(shù)器作為設(shè)定為起始位置 0100，然后執(zhí)行程序，每執(zhí)行一條指令后，程序計數(shù)器的數(shù)值會增加1（或者直接指向下一條指令的地址），然后，CPU 就會根據(jù)程序計數(shù)器的數(shù)值，從內(nèi)存中讀取命令并執(zhí)行，也就是說，程序計數(shù)器控制著程序的流程。
高級語言中的條件控制流程主要分為三種：順序執(zhí)行、條件分支、循環(huán)判斷三種，順序執(zhí)行是按照地址的內(nèi)容順序的執(zhí)行指令。條件分支是根據(jù)條件執(zhí)行任意地址的指令。循環(huán)是重復(fù)執(zhí)行同一地址的指令。
下面以條件分支為例來說明程序的執(zhí)行過程（循環(huán)也很相似）
程序的開始過程和順序流程是一樣的，CPU 從0100處開始執(zhí)行命令，在0100和0101都是順序執(zhí)行，PC 的值順序+1，執(zhí)行到0102地址的指令時，判斷0106寄存器的數(shù)值大于0，跳轉(zhuǎn)（jump）到0104地址的指令，將數(shù)值輸出到顯示器中，然后結(jié)束程序，0103 的指令被跳過了，這就和我們程序中的 if() 判斷是一樣的，在不滿足條件的情況下，指令會直接跳過。所以 PC 的執(zhí)行過程也就沒有直接+1，而是下一條指令的地址。
條件和循環(huán)分支會使用到 jump（跳轉(zhuǎn)指令），會根據(jù)當(dāng)前的指令來判斷是否跳轉(zhuǎn)，上面我們提到了標(biāo)志寄存器，無論當(dāng)前累加寄存器的運(yùn)算結(jié)果是正數(shù)、負(fù)數(shù)還是零，標(biāo)志寄存器都會將其保存
CPU 在進(jìn)行運(yùn)算時，標(biāo)志寄存器的數(shù)值會根據(jù)當(dāng)前運(yùn)算的結(jié)果自動設(shè)定，運(yùn)算結(jié)果的正、負(fù)和零三種狀態(tài)由標(biāo)志寄存器的三個位表示。標(biāo)志寄存器的第一個字節(jié)位、第二個字節(jié)位、第三個字節(jié)位各自的結(jié)果都為1時，分別代表著正數(shù)、零和負(fù)數(shù)。
CPU 的執(zhí)行機(jī)制比較有意思，假設(shè)累加寄存器中存儲的 XXX 和通用寄存器中存儲的 YYY 做比較，執(zhí)行比較的背后，CPU 的運(yùn)算機(jī)制就會做減法運(yùn)算。而無論減法運(yùn)算的結(jié)果是正數(shù)、零還是負(fù)數(shù)，都會保存到標(biāo)志寄存器中。結(jié)果為正表示 XXX 比 YYY 大，結(jié)果為零表示 XXX 和 YYY 相等，結(jié)果為負(fù)表示 XXX 比 YYY 小。程序比較的指令，實際上是在 CPU 內(nèi)部做減法運(yùn)算。
接下來，我們繼續(xù)介紹函數(shù)調(diào)用機(jī)制，哪怕是高級語言編寫的程序，函數(shù)調(diào)用處理也是通過把程序計數(shù)器的值設(shè)定成函數(shù)的存儲地址來實現(xiàn)的。函數(shù)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令后，必須進(jìn)行返回處理，單純的指令跳轉(zhuǎn)沒有意義，下面是一個實現(xiàn)函數(shù)跳轉(zhuǎn)的例子
圖中將變量 a 和 b 分別賦值為 123 和 456 ，調(diào)用 MyFun(a,b) 方法，進(jìn)行指令跳轉(zhuǎn)。圖中的地址是將 C 語言編譯成機(jī)器語言后運(yùn)行時的地址，由于1行 C 程序在編譯后通常會變?yōu)槎嘈袡C(jī)器語言，所以圖中的地址是分散的。在執(zhí)行完 MyFun(a,b)指令后，程序會返回到 MyFun(a,b) 的下一條指令，CPU 繼續(xù)執(zhí)行下面的指令。
函數(shù)的調(diào)用和返回很重要的兩個指令是 call 和 return 指令，再將函數(shù)的入口地址設(shè)定到程序計數(shù)器之前，call 指令會把調(diào)用函數(shù)后要執(zhí)行的指令地址存儲在名為棧的主存內(nèi)。函數(shù)處理完畢后，再通過函數(shù)的出口來執(zhí)行 return 指令。return 指令的功能是把保存在棧中的地址設(shè)定到程序計數(shù)器。MyFun 函數(shù)在被調(diào)用之前，0154 地址保存在棧中，MyFun 函數(shù)處理完成后，會把 0154 的地址保存在程序計數(shù)器中。
這個調(diào)用過程如下
在一些高級語言的條件或者循環(huán)語句中，函數(shù)調(diào)用的處理會轉(zhuǎn)換成 call 指令，函數(shù)結(jié)束后的處理則會轉(zhuǎn)換成 return 指令。
接下來我們看一下基址寄存器和變址寄存器，通過這兩個寄存器，我們可以對主存上的特定區(qū)域進(jìn)行劃分，來實現(xiàn)類似數(shù)組的操作
首先，我們用十六進(jìn)制數(shù)將計算機(jī)內(nèi)存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址劃分出來。那么，凡是該范圍的內(nèi)存地址，只要有一個 32 位的寄存器，便可查看全部地址。但如果想要想數(shù)組那樣分割特定的內(nèi)存區(qū)域以達(dá)到連續(xù)查看的目的的話，使用兩個寄存器會更加方便。
例如，我們用兩個寄存器（基址寄存器和變址寄存器）來表示內(nèi)存的值
這種表示方式很類似數(shù)組的構(gòu)造，數(shù)組是指同樣長度的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中進(jìn)行連續(xù)排列的數(shù)據(jù)構(gòu)造。用數(shù)組名表示數(shù)組全部的值，通過索引來區(qū)分?jǐn)?shù)組的各個數(shù)據(jù)元素，例如: a[0] - a[4]，[]內(nèi)的 0 - 4 就是數(shù)組的下標(biāo)。
幾乎所有的馮·諾伊曼型計算機(jī)的CPU，其工作都可以分為5個階段：取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令、訪存取數(shù)、結(jié)果寫回。
取指令階段是將內(nèi)存中的指令讀取到 CPU 中寄存器的過程，程序寄存器用于存儲下一條指令所在的地址指令譯碼階段，在取指令完成后，立馬進(jìn)入指令譯碼階段，在指令譯碼階段，指令譯碼器按照預(yù)定的指令格式，對取回的指令進(jìn)行拆分和解釋，識別區(qū)分出不同的指令類別以及各種獲取操作數(shù)的方法。執(zhí)行指令階段，譯碼完成后，就需要執(zhí)行這一條指令了，此階段的任務(wù)是完成指令所規(guī)定的各種操作，具體實現(xiàn)指令的功能。訪問取數(shù)階段，根據(jù)指令的需要，有可能需要從內(nèi)存中提取數(shù)據(jù)，此階段的任務(wù)是：根據(jù)指令地址碼，得到操作數(shù)在主存中的地址，并從主存中讀取該操作數(shù)用于運(yùn)算。結(jié)果寫回階段，作為最后一個階段，結(jié)果寫回（Write Back，WB）階段把執(zhí)行指令階段的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)“寫回”到某種存儲形式：結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)常被寫到CPU的內(nèi)部寄存器中，以便被后續(xù)的指令快速地存?。?/section>CPU 和 內(nèi)存就像是一堆不可分割的戀人一樣，是無法拆散的一對兒，沒有內(nèi)存，CPU 無法執(zhí)行程序指令，那么計算機(jī)也就失去了意義；只有內(nèi)存，無法執(zhí)行指令，那么計算機(jī)照樣無法運(yùn)行。
那么什么是內(nèi)存呢？內(nèi)存和 CPU 如何進(jìn)行交互？下面就來介紹一下
內(nèi)存（Memory）是計算機(jī)中最重要的部件之一，它是程序與CPU進(jìn)行溝通的橋梁。
計算機(jī)中所有程序的運(yùn)行都是在內(nèi)存中進(jìn)行的，因此內(nèi)存對計算機(jī)的影響非常大，內(nèi)存又被稱為主存，其作用是存放 CPU 中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲設(shè)備交換的數(shù)據(jù)。只要計算機(jī)在運(yùn)行中，CPU 就會把需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)調(diào)到主存中進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算完成后CPU再將結(jié)果傳送出來，主存的運(yùn)行也決定了計算機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。
內(nèi)存的內(nèi)部是由各種 IC 電路組成的，它的種類很龐大，但是其主要分為三種存儲器
丟失。更快的存儲器。當(dāng) CPU 向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)時，這些數(shù)據(jù)也會被寫入高速緩存中。當(dāng) CPU 需要讀取數(shù)據(jù)時，會直接從高速緩存中直接讀取，當(dāng)然，如需要的數(shù)據(jù)在Cache中沒有，CPU會再去讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。內(nèi)存 IC 是一個完整的結(jié)構(gòu)，它內(nèi)部也有電源、地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號和用于尋址的 IC 引腳來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。下面是一個虛擬的 IC 引腳示意圖
圖中 VCC 和 GND 表示電源，A0 - A9 是地址信號的引腳，D0 - D7 表示的是控制信號、RD 和 WR 都是好控制信號，我用不同的顏色進(jìn)行了區(qū)分，將電源連接到 VCC 和 GND 后，就可以對其他引腳傳遞 0 和 1 的信號，大多數(shù)情況下，+5V 表示1，0V 表示 0。
我們都知道內(nèi)存是用來存儲數(shù)據(jù)，那么這個內(nèi)存 IC 中能存儲多少數(shù)據(jù)呢？D0 - D7 表示的是數(shù)據(jù)信號，也就是說，一次可以輸入輸出 8 bit = 1 byte 的數(shù)據(jù)。A0 - A9 是地址信號共十個，表示可以指定 00000 00000 - 11111 11111 共 2 的 10次方 = 1024個地址。每個地址都會存放 1 byte 的數(shù)據(jù)，因此我們可以得出內(nèi)存 IC 的容量就是 1 KB。
讓我們把關(guān)注點放在內(nèi)存 IC 對數(shù)據(jù)的讀寫過程上來吧！我們來看一個對內(nèi)存IC 進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入和讀取的模型
來詳細(xì)描述一下這個過程，假設(shè)我們要向內(nèi)存 IC 中寫入 1byte 的數(shù)據(jù)的話，它的過程是這樣的：
A0 - A9 來指定數(shù)據(jù)的存儲場所，然后再把數(shù)據(jù)的值輸入給 D0 - D7 的數(shù)據(jù)信號，并把 WR（write）的值置為 1，執(zhí)行完這些操作后，即可以向內(nèi)存 IC 寫入數(shù)據(jù)為了便于記憶，我們把內(nèi)存模型映射成為我們現(xiàn)實世界的模型，在現(xiàn)實世界中，內(nèi)存的模型很想我們生活的樓房。在這個樓房中，1層可以存儲一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，樓層號就是地址，下面是內(nèi)存和樓層整合的模型圖
我們知道，程序中的數(shù)據(jù)不僅只有數(shù)值，還有數(shù)據(jù)類型的概念，從內(nèi)存上來看，就是占用內(nèi)存大?。ㄕ加脴菍訑?shù)）的意思。即使物理上強(qiáng)制以 1 個字節(jié)為單位來逐一讀寫數(shù)據(jù)的內(nèi)存，在程序中，通過指定其數(shù)據(jù)類型，也能實現(xiàn)以特定字節(jié)數(shù)為單位來進(jìn)行讀寫。
我們都知道，計算機(jī)的底層都是使用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)模敲礊槭裁磿褂枚M(jìn)制表示計算機(jī)呢？或者說，什么是二進(jìn)制數(shù)呢？在拓展一步，如何使用二進(jìn)制進(jìn)行加減乘除？下面就來看一下
那么什么是二進(jìn)制數(shù)呢？為了說明這個問題，我們先把 00100111 這個數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)看一下，二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，直接將各位置上的值 * 位權(quán)即可，那么我們將上面的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換
也就是說，二進(jìn)制數(shù)代表的 00100111 轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制就是 39，這個 39 并不是 3 和 9 兩個數(shù)字連著寫，而是 3 * 10 + 9 * 1，這里面的 10 , 1 就是位權(quán)，以此類推，上述例子中的位權(quán)從高位到低位依次就是 7 6 5 4 3 2 1 0。這個位權(quán)也叫做次冪，那么最高位就是2的7次冪，2的6次冪 等等。二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算每次都會以2為底，這個2 指得就是基數(shù)，那么十進(jìn)制數(shù)的基數(shù)也就是 10 。在任何情況下位權(quán)的值都是 數(shù)的位數(shù) - 1，那么第一位的位權(quán)就是 1 - 1 = 0， 第二位的位權(quán)就睡 2 - 1 = 1，以此類推。
那么我們所說的二進(jìn)制數(shù)其實就是 用0和1兩個數(shù)字來表示的數(shù)，它的基數(shù)為2，它的數(shù)值就是每個數(shù)的位數(shù) * 位權(quán)再求和得到的結(jié)果，我們一般來說數(shù)值指的就是十進(jìn)制數(shù)，那么它的數(shù)值就是 3 * 10 + 9 * 1 = 39。
在了解過二進(jìn)制之后，下面我們來看一下二進(jìn)制的運(yùn)算，和十進(jìn)制數(shù)一樣，加減乘除也適用于二進(jìn)制數(shù)，只要注意逢 2 進(jìn)位即可。二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算，也是計算機(jī)程序所特有的運(yùn)算，因此了解二進(jìn)制的運(yùn)算是必須要掌握的。
首先我們來介紹移位 運(yùn)算，移位運(yùn)算是指將二進(jìn)制的數(shù)值的各個位置上的元素坐左移和右移操作，見下圖
剛才我們沒有介紹右移的情況，是因為右移之后空出來的高位數(shù)值，有 0 和 1 兩種形式。要想?yún)^(qū)分什么時候補(bǔ)0什么時候補(bǔ)1，首先就需要掌握二進(jìn)制數(shù)表示負(fù)數(shù)的方法。
二進(jìn)制數(shù)中表示負(fù)數(shù)值時，一般會把最高位作為符號來使用，因此我們把這個最高位當(dāng)作符號位。 符號位是 0 時表示正數(shù)，是 1 時表示 負(fù)數(shù)。那么 -1 用二進(jìn)制數(shù)該如何表示呢？可能很多人會這么認(rèn)為：因為 1 的二進(jìn)制數(shù)是 0000 0001，最高位是符號位，所以正確的表示 -1 應(yīng)該是 1000 0001，但是這個答案真的對嗎？
計算機(jī)世界中是沒有減法的，計算機(jī)在做減法的時候其實就是在做加法，也就是用加法來實現(xiàn)的減法運(yùn)算。比如 100 - 50 ，其實計算機(jī)來看的時候應(yīng)該是 100 + (-50)，為此，在表示負(fù)數(shù)的時候就要用到二進(jìn)制補(bǔ)數(shù)，補(bǔ)數(shù)就是用正數(shù)來表示的負(fù)數(shù)。
為了獲得補(bǔ)數(shù)，我們需要將二進(jìn)制的各數(shù)位的數(shù)值全部取反，然后再將結(jié)果 + 1 即可，先記住這個結(jié)論，下面我們來演示一下。
具體來說，就是需要先獲取某個數(shù)值的二進(jìn)制數(shù)，然后對二進(jìn)制數(shù)的每一位做取反操作(0 ---> 1 , 1 ---> 0)，最后再對取反后的數(shù) +1 ，這樣就完成了補(bǔ)數(shù)的獲取。
補(bǔ)數(shù)的獲取，雖然直觀上不易理解，但是邏輯上卻非常嚴(yán)謹(jǐn)，比如我們來看一下 1 - 1 的這個過程，我們先用上面的這個 1000 0001(它是1的補(bǔ)數(shù)，不知道的請看上文，正確性先不管，只是用來做一下計算)來表示一下
奇怪，1 - 1 會變成 130 ，而不是0，所以可以得出結(jié)論 1000 0001 表示 -1 是完全錯誤的。
那么正確的該如何表示呢？其實我們上面已經(jīng)給出結(jié)果了，那就是 1111 1111，來論證一下它的正確性
我們可以看到 1 - 1 其實實際上就是 1 + (-1)，對 -1 進(jìn)行上面的取反 + 1 后變?yōu)?nbsp;1111 1111, 然后與 1 進(jìn)行加法運(yùn)算，得到的結(jié)果是九位的 1 0000 0000，結(jié)果發(fā)生了溢出，計算機(jī)會直接忽略掉溢出位，也就是直接拋掉 最高位 1 ，變?yōu)?nbsp;0000 0000。也就是 0，結(jié)果正確，所以 1111 1111 表示的就是 -1 。
所以負(fù)數(shù)的二進(jìn)制表示就是先求其補(bǔ)數(shù)，補(bǔ)數(shù)的求解過程就是對原始數(shù)值的二進(jìn)制數(shù)各位取反，然后將結(jié)果 + 1
在了解完補(bǔ)數(shù)后，我們重新考慮一下右移這個議題，右移在移位后空出來的最高位有兩種情況0 和 1。
將二進(jìn)制數(shù)作為帶符號的數(shù)值進(jìn)行右移運(yùn)算時，移位后需要在最高位填充移位前符號位的值( 0 或 1)。這就被稱為算數(shù)右移。如果數(shù)值使用補(bǔ)數(shù)表示的負(fù)數(shù)值，那么右移后在空出來的最高位補(bǔ) 1，就可以正確的表示 1/2,1/4,1/8等的數(shù)值運(yùn)算。如果是正數(shù)，那么直接在空出來的位置補(bǔ) 0 即可。
下面來看一個右移的例子。將 -4 右移兩位，來各自看一下移位示意圖
如上圖所示，在邏輯右移的情況下， -4 右移兩位會變成 63， 顯然不是它的 1/4，所以不能使用邏輯右移，那么算數(shù)右移的情況下，右移兩位會變?yōu)?nbsp;-1，顯然是它的 1/4，故而采用算數(shù)右移。
那么我們可以得出來一個結(jié)論：左移時，無論是圖形還是數(shù)值，移位后，只需要將低位補(bǔ) 0 即可；右移時，需要根據(jù)情況判斷是邏輯右移還是算數(shù)右移。
下面介紹一下符號擴(kuò)展：將數(shù)據(jù)進(jìn)行符號擴(kuò)展是為了產(chǎn)生一個位數(shù)加倍、但數(shù)值大小不變的結(jié)果，以滿足有些指令對操作數(shù)位數(shù)的要求，例如倍長于除數(shù)的被除數(shù)，再如將數(shù)據(jù)位數(shù)加長以減少計算過程中的誤差。
以8位二進(jìn)制為例，符號擴(kuò)展就是指在保持值不變的前提下將其轉(zhuǎn)換成為16位和32位的二進(jìn)制數(shù)。將0111 1111這個正的 8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成為 16位二進(jìn)制數(shù)時，很容易就能夠得出0000 0000 0111 1111這個正確的結(jié)果，但是像 1111 1111這樣的補(bǔ)數(shù)來表示的數(shù)值，該如何處理？直接將其表示成為1111 1111 1111 1111就可以了。
也就是說，不管正數(shù)還是補(bǔ)數(shù)表示的負(fù)數(shù)，只需要將 0 和 1 填充高位即可。
我們大家知道，計算機(jī)的五大基礎(chǔ)部件是 存儲器、控制器、運(yùn)算器、輸入和輸出設(shè)備，其中從存儲功能的角度來看，可以把存儲器分為內(nèi)存和 磁盤，我們上面介紹過內(nèi)存，下面就來介紹一下磁盤以及磁盤和內(nèi)存的關(guān)系
計算機(jī)最主要的存儲部件是內(nèi)存和磁盤。磁盤中存儲的程序必須加載到內(nèi)存中才能運(yùn)行，在磁盤中保存的程序是無法直接運(yùn)行的，這是因為負(fù)責(zé)解析和運(yùn)行程序內(nèi)容的 CPU 是需要通過程序計數(shù)器來指定內(nèi)存地址從而讀出程序指令的。
我們上面提到，磁盤往往和內(nèi)存是互利共生的關(guān)系，相互協(xié)作，彼此持有良好的合作關(guān)系。每次內(nèi)存都需要從磁盤中讀取數(shù)據(jù)，必然會讀到相同的內(nèi)容，所以一定會有一個角色負(fù)責(zé)存儲我們經(jīng)常需要讀到的內(nèi)容。我們大家做軟件的時候經(jīng)常會用到緩存技術(shù)，那么硬件層面也不例外，磁盤也有緩存，磁盤的緩存叫做磁盤緩存。
磁盤緩存指的是把從磁盤中讀出的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存的方式，這樣一來，當(dāng)接下來需要讀取相同的內(nèi)容時，就不會再通過實際的磁盤，而是通過磁盤緩存來讀取。某一種技術(shù)或者框架的出現(xiàn)勢必要解決某種問題的，那么磁盤緩存就大大改善了磁盤訪問的速度。
虛擬內(nèi)存是內(nèi)存和磁盤交互的第二個媒介。虛擬內(nèi)存是指把磁盤的一部分作為假想內(nèi)存來使用。這與磁盤緩存是假想的磁盤（實際上是內(nèi)存）相對，虛擬內(nèi)存是假想的內(nèi)存（實際上是磁盤）。
虛擬內(nèi)存是計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（一個完整的地址空間），但是實際上，它通常被分割成多個物理碎片，還有部分存儲在外部磁盤管理器上，必要時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
通過借助虛擬內(nèi)存，在內(nèi)存不足時仍然可以運(yùn)行程序。例如，在只剩 5MB 內(nèi)存空間的情況下仍然可以運(yùn)行 10MB 的程序。由于 CPU 只能執(zhí)行加載到內(nèi)存中的程序，因此，虛擬內(nèi)存的空間就需要和內(nèi)存中的空間進(jìn)行置換（swap），然后運(yùn)行程序。
虛擬內(nèi)存的方法有分頁式 和 分段式 兩種。Windows 采用的是分頁式。該方式是指在不考慮程序構(gòu)造的情況下，把運(yùn)行的程序按照一定大小的頁進(jìn)行分割，并以頁為單位進(jìn)行置換。在分頁式中，我們把磁盤的內(nèi)容讀到內(nèi)存中稱為 Page In，把內(nèi)存的內(nèi)容寫入磁盤稱為 Page Out。
Windows 計算機(jī)的頁大小為 4KB ，也就是說，需要把應(yīng)用程序按照 4KB 的頁來進(jìn)行切分，以頁（page）為單位放到磁盤中，然后進(jìn)行置換。
為了實現(xiàn)內(nèi)存功能，Windows 在磁盤上提供了虛擬內(nèi)存使用的文件（page file，頁文件）。該文件由 Windows 生成和管理，文件的大小和虛擬內(nèi)存大小相同，通常大小是內(nèi)存的 1 - 2 倍。
之前我們介紹了CPU、內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在我們來介紹一下磁盤的物理結(jié)構(gòu)。磁盤的物理結(jié)構(gòu)指的是磁盤存儲數(shù)據(jù)的形式。
磁盤是通過其物理表面劃分成多個空間來使用的。劃分的方式有兩種：可變長方式 和 扇區(qū)方式。前者是將物理結(jié)構(gòu)劃分成長度可變的空間，后者是將磁盤結(jié)構(gòu)劃分為固定長度的空間。一般 Windows 所使用的硬盤和軟盤都是使用扇區(qū)這種方式。扇區(qū)中，把磁盤表面分成若干個同心圓的空間就是 磁道，把磁道按照固定大小的存儲空間劃分而成的就是 扇區(qū)
扇區(qū)是對磁盤進(jìn)行物理讀寫的最小單位。Windows 中使用的磁盤，一般是一個扇區(qū) 512 個字節(jié)。不過，Windows 在邏輯方面對磁盤進(jìn)行讀寫的單位是扇區(qū)整數(shù)倍簇。根據(jù)磁盤容量不同功能，1簇可以是 512 字節(jié)（1 簇 = 1扇區(qū)）、1KB（1簇 = 2扇區(qū)）、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB( 1 簇 = 64 扇區(qū))。簇和扇區(qū)的大小是相等的。
我們想必都有過壓縮和 解壓縮文件的經(jīng)歷，當(dāng)文件太大時，我們會使用文件壓縮來降低文件的占用空間。比如微信上傳文件的限制是100 MB，我這里有個文件夾無法上傳，但是我解壓完成后的文件一定會小于 100 MB，那么我的文件就可以上傳了。
此外，我們把相機(jī)拍完的照片保存到計算機(jī)上的時候，也會使用壓縮算法進(jìn)行文件壓縮，文件壓縮的格式一般是JPEG。
那么什么是壓縮算法呢？壓縮算法又是怎么定義的呢？在認(rèn)識算法之前我們需要先了解一下文件是如何存儲的
文件是將數(shù)據(jù)存儲在磁盤等存儲媒介的一種形式。程序文件中最基本的存儲數(shù)據(jù)單位是字節(jié)。文件的大小不管是 xxxKB、xxxMB等來表示，就是因為文件是以字節(jié) B = Byte 為單位來存儲的。
文件就是字節(jié)數(shù)據(jù)的集合。用 1 字節(jié)（8 位）表示的字節(jié)數(shù)據(jù)有 256 種，用二進(jìn)制表示的話就是 0000 0000 - 1111 1111 。如果文件中存儲的數(shù)據(jù)是文字，那么該文件就是文本文件。如果是圖形，那么該文件就是圖像文件。在任何情況下，文件中的字節(jié)數(shù)都是連續(xù)存儲的。
上面介紹了文件的集合體其實就是一堆字節(jié)數(shù)據(jù)的集合，那么我們就可以來給壓縮算法下一個定義。
壓縮算法（compaction algorithm）指的就是數(shù)據(jù)壓縮的算法，主要包括壓縮和還原（解壓縮）的兩個步驟。
其實就是在不改變原有文件屬性的前提下，降低文件字節(jié)空間和占用空間的一種算法。
根據(jù)壓縮算法的定義，我們可將其分成不同的類型：
有損和無損
無損壓縮：能夠無失真地從壓縮后的數(shù)據(jù)重構(gòu)，準(zhǔn)確地還原原始數(shù)據(jù)?？捎糜趯?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求嚴(yán)格的場合，如可執(zhí)行文件和普通文件的壓縮、磁盤的壓縮，也可用于多媒體數(shù)據(jù)的壓縮。該方法的壓縮比較小。如差分編碼、RLE、Huffman編碼、LZW編碼、算術(shù)編碼。
有損壓縮：有失真，不能完全準(zhǔn)確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，重構(gòu)的數(shù)據(jù)只是原始數(shù)據(jù)的一個近似?？捎糜趯?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求不高的場合，如多媒體數(shù)據(jù)的壓縮。該方法的壓縮比較大。例如預(yù)測編碼、音感編碼、分形壓縮、小波壓縮、JPEG/MPEG。
對稱性
如果編解碼算法的復(fù)雜性和所需時間差不多，則為對稱的編碼方法，多數(shù)壓縮算法都是對稱的。但也有不對稱的，一般是編碼難而解碼容易，如 Huffman 編碼和分形編碼。但用于密碼學(xué)的編碼方法則相反，是編碼容易，而解碼則非常難。
幀間與幀內(nèi)
在視頻編碼中會同時用到幀內(nèi)與幀間的編碼方法，幀內(nèi)編碼是指在一幀圖像內(nèi)獨立完成的編碼方法，同靜態(tài)圖像的編碼，如 JPEG；而幀間編碼則需要參照前后幀才能進(jìn)行編解碼，并在編碼過程中考慮對幀之間的時間冗余的壓縮，如 MPEG。
實時性
在有些多媒體的應(yīng)用場合，需要實時處理或傳輸數(shù)據(jù)（如現(xiàn)場的數(shù)字錄音和錄影、播放MP3/RM/VCD/DVD、視頻/音頻點播、網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場直播、可視電話、視頻會議），編解碼一般要求延時 ≤50 ms。這就需要簡單/快速/高效的算法和高速/復(fù)雜的CPU/DSP芯片。
分級處理
有些壓縮算法可以同時處理不同分辨率、不同傳輸速率、不同質(zhì)量水平的多媒體數(shù)據(jù)，如JPEG2000、MPEG-2/4。
這些概念有些抽象，主要是為了讓大家了解一下壓縮算法的分類，下面我們就對具體的幾種常用的壓縮算法來分析一下它的特點和優(yōu)劣
接下來就讓我們正式看一下文件的壓縮機(jī)制。首先讓我們來嘗試對 AAAAAABBCDDEEEEEF這 17 個半角字符的文件（文本文件）進(jìn)行壓縮。雖然這些文字沒有什么實際意義，但是很適合用來描述 RLE 的壓縮機(jī)制。
由于半角字符（其實就是英文字符）是作為 1 個字節(jié)保存在文件中的，所以上述的文件的大小就是 17 字節(jié)。如圖
那么，如何才能壓縮該文件呢？大家不妨也考慮一下，只要是能夠使文件小于 17 字節(jié)，我們可以使用任何壓縮算法。
最顯而易見的一種壓縮方式我覺得你已經(jīng)想到了，就是把相同的字符去重化，也就是 字符 * 重復(fù)次數(shù) 的方式進(jìn)行壓縮。所以上面文件壓縮后就會變成下面這樣
從圖中我們可以看出，AAAAAABBCDDEEEEEF 的17個字符成功被壓縮成了A6B2C1D2E5F1 的12個字符，也就是 12 / 17 = 70%，壓縮比為 70%，壓縮成功了。
像這樣，把文件內(nèi)容用 數(shù)據(jù) * 重復(fù)次數(shù) 的形式來表示的壓縮方法成為 RLE(Run Length Encoding, 行程長度編碼) 算法。RLE 算法是一種很好的壓縮方法，經(jīng)常用于壓縮傳真的圖像等。因為圖像文件的本質(zhì)也是字節(jié)數(shù)據(jù)的集合體，所以可以用 RLE 算法進(jìn)行壓縮
下面我們來介紹另外一種壓縮算法，即哈夫曼算法。在了解哈夫曼算法之前，你必須舍棄半角英文數(shù)字的1個字符是1個字節(jié)(8位)的數(shù)據(jù)。下面我們就來認(rèn)識一下哈夫曼算法的基本思想。
文本文件是由不同類型的字符組合而成的，而且不同字符出現(xiàn)的次數(shù)也是不一樣的。例如，在某個文本文件中，A 出現(xiàn)了 100次左右，Q僅僅用到了 3 次，類似這樣的情況很常見。
哈夫曼算法的關(guān)鍵就在于 多次出現(xiàn)的數(shù)據(jù)用小于 8 位的字節(jié)數(shù)表示，不常用的數(shù)據(jù)則可以使用超過 8 位的字節(jié)數(shù)表示。A 和 Q 都用 8 位來表示時，原文件的大小就是 100次 * 8 位 + 3次 * 8 位 = 824位，假設(shè) A 用 2 位，Q 用 10 位來表示就是 2 * 100 + 3 * 10 = 230 位。
不過要注意一點，最終磁盤的存儲都是以8位為一個字節(jié)來保存文件的。
哈夫曼算法比較復(fù)雜，在深入了解之前我們先吃點甜品，了解一下 莫爾斯編碼，你一定看過美劇或者戰(zhàn)爭片的電影，在戰(zhàn)爭中的通信經(jīng)常采用莫爾斯編碼來傳遞信息，例如下面
接下來我們來講解一下莫爾斯編碼，下面是莫爾斯編碼的示例，大家把 1 看作是短點(嘀)，把 11 看作是長點(嗒)即可。
莫爾斯編碼一般把文本中出現(xiàn)最高頻率的字符用短編碼 來表示。如表所示，假如表示短點的位是 1，表示長點的位是 11 的話，那么 E（嘀）這一數(shù)據(jù)的字符就可以用 1 來表示，C（滴答滴答）就可以用 9 位的 110101101來表示。
在實際的莫爾斯編碼中，如果短點的長度是 1 ，長點的長度就是 3，短點和長點的間隔就是1。這里的長度指的就是聲音的長度。比如我們想用上面的 AAAAAABBCDDEEEEEF 例子來用莫爾斯編碼重寫，在莫爾斯曼編碼中，各個字符之間需要加入表示時間間隔的符號。這里我們用 00 加以區(qū)分。
所以，AAAAAABBCDDEEEEEF 這個文本就變?yōu)榱?A * 6 次 + B * 2次 + C * 1次 + D * 2次 + E * 5次 + F * 1次 + 字符間隔 * 16 = 4 位 * 6次 + 8 位 * 2次 + 9 位 * 1 次 + 6位 * 2次 + 1位 * 5次 + 8 位 * 1次 + 2位 * 16次 = 106位 = 14字節(jié)。
所以使用莫爾斯電碼的壓縮比為 14 / 17 = 82%。效率并不太突出。
剛才已經(jīng)提到，莫爾斯編碼是根據(jù)日常文本中各字符的出現(xiàn)頻率來決定表示各字符的編碼數(shù)據(jù)長度的。不過，在該編碼體系中，對 AAAAAABBCDDEEEEEF 這種文本來說并不是效率最高的。
下面我們來看一下哈夫曼算法。哈夫曼算法是指，為各壓縮對象文件分別構(gòu)造最佳的編碼體系，并以該編碼體系為基礎(chǔ)來進(jìn)行壓縮。因此，用什么樣的編碼（哈夫曼編碼）對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，就要由各個文件而定。用哈夫曼算法壓縮過的文件中，存儲著哈夫曼編碼信息和壓縮過的數(shù)據(jù)。
接下來，我們在對 AAAAAABBCDDEEEEEF 中的 A - F 這些字符，按照出現(xiàn)頻率高的字符用盡量少的位數(shù)編碼來表示這一原則進(jìn)行整理。按照出現(xiàn)頻率從高到低的順序整理后，結(jié)果如下，同時也列出了編碼方案。
| 字符 | 出現(xiàn)頻率 | 編碼（方案） | 位數(shù) |
|---|---|---|---|
| A | 6 | 0 | 1 |
| E | 5 | 1 | 1 |
| B | 2 | 10 | 2 |
| D | 2 | 11 | 2 |
| C | 1 | 100 | 3 |
| F | 1 | 101 | 3 |
在上表的編碼方案中，隨著出現(xiàn)頻率的降低，字符編碼信息的數(shù)據(jù)位數(shù)也在逐漸增加，從最開始的 1位、2位依次增加到3位。不過這個編碼體系是存在問題的，你不知道100這個3位的編碼，它的意思是用 1、0、0這三個編碼來表示 E、A、A 呢？還是用10、0來表示 B、A 呢？還是用100來表示 C 呢。
而在哈夫曼算法中，通過借助哈夫曼樹的構(gòu)造編碼體系，即使在不使用字符區(qū)分符號的情況下，也可以構(gòu)建能夠明確進(jìn)行區(qū)分的編碼體系。不過哈夫曼樹的算法要比較復(fù)雜，下面是一個哈夫曼樹的構(gòu)造過程。
自然界樹的從根開始生葉的，而哈夫曼樹則是葉生枝
使用哈夫曼樹之后，出現(xiàn)頻率越高的數(shù)據(jù)所占用的位數(shù)越少，這也是哈夫曼樹的核心思想。通過上圖的步驟二可以看出，枝條連接數(shù)據(jù)時，我們是從出現(xiàn)頻率較低的數(shù)據(jù)開始的。這就意味著出現(xiàn)頻率低的數(shù)據(jù)到達(dá)根部的枝條也越多。而枝條越多則意味著編碼的位數(shù)隨之增加。
接下來我們來看一下哈夫曼樹的壓縮比率，用上圖得到的數(shù)據(jù)表示 AAAAAABBCDDEEEEEF 為 000000000000 100100 110 101101 0101010101 111，40位 = 5 字節(jié)。壓縮前的數(shù)據(jù)是 17 字節(jié)，壓縮后的數(shù)據(jù)竟然達(dá)到了驚人的5 字節(jié)，也就是壓縮比率 = 5 / 17 = 29% 如此高的壓縮率，簡直是太驚艷了。
大家可以參考一下，無論哪種類型的數(shù)據(jù)，都可以用哈夫曼樹作為壓縮算法
| 文件類型 | 壓縮前 | 壓縮后 | 壓縮比率 |
|---|---|---|---|
| 文本文件 | 14862字節(jié) | 4119字節(jié) | 28% |
| 圖像文件 | 96062字節(jié) | 9456字節(jié) | 10% |
| EXE文件 | 24576字節(jié) | 4652字節(jié) | 19% |
最后，我們來看一下圖像文件的數(shù)據(jù)形式。圖像文件的使用目的通常是把圖像數(shù)據(jù)輸出到顯示器、打印機(jī)等設(shè)備上。常用的圖像格式有 : BMP、JPEG、TIFF、GIF 格式等。
圖像文件可以使用前面介紹的 RLE 算法和哈夫曼算法，因為圖像文件在多數(shù)情況下并不要求數(shù)據(jù)需要還原到和壓縮之前一摸一樣的狀態(tài)，允許丟失一部分?jǐn)?shù)據(jù)。我們把能還原到壓縮前狀態(tài)的壓縮稱為 可逆壓縮，無法還原到壓縮前狀態(tài)的壓縮稱為非可逆壓縮 。
一般來說，JPEG格式的文件是非可逆壓縮，因此還原后有部分圖像信息比較模糊。GIF 是可逆壓縮
程序中包含著運(yùn)行環(huán)境這一內(nèi)容，可以說 運(yùn)行環(huán)境 = 操作系統(tǒng) + 硬件 ，操作系統(tǒng)又可以被稱為軟件，它是由一系列的指令組成的。我們不介紹操作系統(tǒng)，我們主要來介紹一下硬件的識別。
我們肯定都玩兒過游戲，你玩兒游戲前需要干什么？是不是需要先看一下自己的筆記本或者電腦是不是能肝的起游戲？下面是一個游戲的配置（懷念一下 wow）
圖中的主要配置如下
操作系統(tǒng)版本：說的就是應(yīng)用程序運(yùn)行在何種系統(tǒng)環(huán)境，現(xiàn)在市面上主要有三種操作系統(tǒng)環(huán)境，Windows 、Linux 和 Unix ，一般我們玩兒的大型游戲幾乎都是在 Windows 上運(yùn)行，可以說 Windows 是游戲的天堂。Windows 操作系統(tǒng)也會有區(qū)分，分為32位操作系統(tǒng)和64位操作系統(tǒng)，互不兼容。
處理器：處理器指的就是 CPU，你的電腦的計算能力，通俗來講就是每秒鐘能處理的指令數(shù)，如果你的電腦覺得卡帶不起來的話，很可能就是 CPU 的計算能力不足導(dǎo)致的。想要加深理解，請閱讀博主的另一篇文章：程序員需要了解的硬核知識之CPU
顯卡：顯卡承擔(dān)圖形的輸出任務(wù)，因此又被稱為圖形處理器（Graphic Processing Unit，GPU），顯卡也非常重要，比如我之前玩兒的劍靈開五檔（其實就是圖像變得更清晰）會卡，其實就是顯卡顯示不出來的原因。
內(nèi)存：內(nèi)存即主存，就是你的應(yīng)用程序在運(yùn)行時能夠動態(tài)分析指令的這部分存儲空間，它的大小也能決定你電腦的運(yùn)行速度，想要加深理解，請閱讀博主的另一篇文章 程序員需要了解的硬核知識之內(nèi)存
存儲空間：存儲空間指的就是應(yīng)用程序安裝所占用的磁盤空間，由圖中可知，此游戲的最低存儲空間必須要大于 5GB，其實我們都會遺留很大一部分用來安裝游戲。
從程序的運(yùn)行環(huán)境這一角度來考量的話，CPU 的種類是特別重要的參數(shù)，為了使程序能夠正常運(yùn)行，必須滿足 CPU 所需的最低配置。
CPU 只能解釋其自身固有的語言。不同的 CPU 能解釋的機(jī)器語言的種類也是不同的。機(jī)器語言的程序稱為 本地代碼(native code)，程序員用 C 等高級語言編寫的程序，僅僅是文本文件。文本文件(排除文字編碼的問題)在任何環(huán)境下都能顯示和編輯。我們稱之為源代碼。通過對源代碼進(jìn)行編譯，就可以得到本地代碼。
下圖反映了這個過程
計算機(jī)的硬件并不僅僅是由 CPU 組成的，還包括用于存儲程序指令的數(shù)據(jù)和內(nèi)存，以及通過 I/O 連接的鍵盤、顯示器、硬盤、打印機(jī)等外圍設(shè)備。
在 WIndows 軟件中，鍵盤輸入、顯示器輸出等并不是直接向硬件發(fā)送指令。而是通過向 Windows 發(fā)送指令實現(xiàn)的。因此，程序員就不用注意內(nèi)存和 I/O 地址的不同構(gòu)成了。Windows 操作的是硬件而不是軟件，軟件通過操作 Windows 系統(tǒng)可以達(dá)到控制硬件的目的。
接下來我們看一下操作系統(tǒng)的種類。同樣機(jī)型的計算機(jī)，可安裝的操作系統(tǒng)類型也會有多種選擇。
例如：AT 兼容機(jī)除了可以安裝 Windows 之外，還可以采用 Unix 系列的 Linux 以及 FreeBSD （也是一種Unix操作系統(tǒng)）等多個操作系統(tǒng)。
當(dāng)然，應(yīng)用軟件則必須根據(jù)不同的操作系統(tǒng)類型來專門開發(fā)。CPU 的類型不同，所對應(yīng)機(jī)器的語言也不同,同樣的道理，操作系統(tǒng)的類型不同，應(yīng)用程序向操作系統(tǒng)傳遞指令的途徑也不同。
應(yīng)用程序向系統(tǒng)傳遞指令的途徑稱為 API(Application Programming Interface)。Windows 以及 Linux 操作系統(tǒng)的 API，提供了任何應(yīng)用程序都可以利用的函數(shù)組合。因為不同操作系統(tǒng)的 API 是有差異的。所以，如何要將同樣的應(yīng)用程序移植到另外的操作系統(tǒng)，就必須要覆蓋應(yīng)用所用到的 API 部分。
鍵盤輸入、鼠標(biāo)輸入、顯示器輸出、文件輸入和輸出等同外圍設(shè)備進(jìn)行交互的功能，都是通過 API 提供的。
這也就是為什么 Windows 應(yīng)用程序不能直接移植到 Linux 操作系統(tǒng)上的原因，API 差異太大了。
在同類型的操作系統(tǒng)下，不論硬件如何，API 幾乎相同。但是，由于不同種類 CPU 的機(jī)器語言不同，因此本地代碼也不盡相同。
操作系統(tǒng)其實也是一種軟件，任何新事物的出現(xiàn)肯定都有它的歷史背景，那么操作系統(tǒng)也不是憑空出現(xiàn)的，肯定有它的歷史背景。
在計算機(jī)尚不存在操作系統(tǒng)的年代，完全沒有任何程序，人們通過各種按鈕來控制計算機(jī)，這一過程非常麻煩。
于是，有人開發(fā)出了僅具有加載和運(yùn)行功能的監(jiān)控程序，這就是操作系統(tǒng)的原型。通過事先啟動監(jiān)控程序，程序員可以根據(jù)需要將各種程序加載到內(nèi)存中運(yùn)行。雖然仍舊比較麻煩，但比起在沒有任何程序的狀態(tài)下進(jìn)行開發(fā)，工作量得到了很大的緩解。
隨著時代的發(fā)展，人們在利用監(jiān)控程序編寫程序的過程中發(fā)現(xiàn)很多程序都有公共的部分。例如，通過鍵盤進(jìn)行文字輸入，顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)展示等，如果每編寫一個新的應(yīng)用程序都需要相同的處理的話，那真是太浪費時間了。
因此，基本的輸入輸出部分的程序就被追加到了監(jiān)控程序中。初期的操作系統(tǒng)就是這樣誕生了。
類似的想法可以共用，人們又發(fā)現(xiàn)有更多的應(yīng)用程序可以追加到監(jiān)控程序中，比如硬件控制程序，編程語言處理器(匯編、編譯、解析)以及各種應(yīng)用程序等，結(jié)果就形成了和現(xiàn)在差異不大的操作系統(tǒng)，也就是說，其實操作系統(tǒng)是多個程序的集合體。
Windows 操作系統(tǒng)是世界上用戶數(shù)量最龐大的群體，作為 Windows 操作系統(tǒng)的資深用戶，你都知道 Windows 操作系統(tǒng)有哪些特征嗎？下面列舉了一些 Windows 操作系統(tǒng)的特性
API 函數(shù)集成來提供系統(tǒng)調(diào)用WYSIWYG 實現(xiàn)打印輸出，WYSIWYG 其實就是 What You See Is What You Get ，值得是顯示器上顯示的圖形和文本都是可以原樣輸出到打印機(jī)打印的。這些是對程序員來講比較有意義的一些特征，下面針對這些特征來進(jìn)行分別的介紹
這里表示的32位操作系統(tǒng)表示的是處理效率最高的數(shù)據(jù)大小。Windows 處理數(shù)據(jù)的基本單位是 32 位。這與最一開始在 MS-DOS 等16位操作系統(tǒng)不同，因為在16位操作系統(tǒng)中處理32位數(shù)據(jù)需要兩次，而32位操作系統(tǒng)只需要一次就能夠處理32位的數(shù)據(jù)，所以一般在 windows 上的應(yīng)用，它們的最高能夠處理的數(shù)據(jù)都是 32 位的。
比如，用 C 語言來處理整數(shù)數(shù)據(jù)時，有8位的 char 類型，16位的short類型，以及32位的long類型三個選項，使用位數(shù)較大的 long 類型進(jìn)行處理的話，增加的只是內(nèi)存以及磁盤的開銷，對性能影響不大。
現(xiàn)在市面上大部分都是64位操作系統(tǒng)了，64位操作系統(tǒng)也是如此。
Windows 是通過名為 API 的函數(shù)集來提供系統(tǒng)調(diào)用的。API是聯(lián)系應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間的接口，全稱叫做 Application Programming Interface,應(yīng)用程序接口。
當(dāng)前主流的32位版 Windows API 也稱為 Win32 API，之所以這樣命名，是需要和不同的操作系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分，比如最一開始的 16 位版的 Win16 API，和后來流行的 Win64 API 。
API 通過多個 DLL 文件來提供，各個 API 的實體都是用 C 語言編寫的函數(shù)。所以，在 C 語言環(huán)境下，使用 API 更加容易，比如 API 所用到的 MessageBox() 函數(shù)，就被保存在了 Windows 提供的 user32.dll 這個 DLL 文件中。
GUI(Graphical User Interface) 指得就是圖形用戶界面，通過點擊顯示器中的窗口以及圖標(biāo)等可視化的用戶界面，舉個例子：Linux 操作系統(tǒng)就有兩個版本，一種是簡潔版，直接通過命令行控制硬件，還有一種是可視化版，通過光標(biāo)點擊圖形界面來控制硬件。
WYSIWYG 指的是顯示器上輸出的內(nèi)容可以直接通過打印機(jī)打印輸出。在 Windows 中，顯示器和打印機(jī)被認(rèn)作同等的圖形輸出設(shè)備處理的，該功能也為 WYSIWYG 提供了條件。
借助 WYSIWYG 功能，程序員可以輕松不少。最初，為了是現(xiàn)在顯示器中顯示和在打印機(jī)中打印，就必須分別編寫各自的程序，而在 Windows 中，可以借助 WYSIWYG 基本上在一個程序中就可以做到顯示和打印這兩個功能了。
多任務(wù)指的就是同時能夠運(yùn)行多個應(yīng)用程序的功能，Windows 是通過時鐘分割技術(shù)來實現(xiàn)多任務(wù)功能的。時鐘分割指的是短時間間隔內(nèi)，多個程序切換運(yùn)行的方式。在用戶看來，就好像是多個程序在同時運(yùn)行，其底層是 CPU 時間切片，這也是多線程多任務(wù)的核心。
CPU分片，也是時鐘分割
Windows 中，網(wǎng)絡(luò)功能是作為標(biāo)準(zhǔn)功能提供的。數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)庫服務(wù)器)功能有時也會在后面追加。
網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)庫功能雖然并不是操作系統(tǒng)不可或缺的，但因為它們和操作系統(tǒng)很接近，所以被統(tǒng)稱為中間件而不是應(yīng)用。意思是處于操作系統(tǒng)和應(yīng)用的中間層，操作系統(tǒng)和中間件組合在一起，稱為系統(tǒng)軟件。應(yīng)用不僅可以利用操作系統(tǒng)，也可以利用中間件的功能。
應(yīng)用可以使用操作系統(tǒng)和中間件
相對于操作系統(tǒng)一旦安裝就不能輕易更換，中間件可以根據(jù)需要進(jìn)行更換，不過，對于大部分應(yīng)用來說，更換中間件的話，會造成應(yīng)用也隨之更換，從這個角度來說，更?換中間件也不是那么容易。
即插即用(Plug-and-Play)指的是新的設(shè)備連接(plug) 后就可以直接使用的機(jī)制，新設(shè)備連接計算機(jī)后，計算機(jī)就會自動安裝和設(shè)定用來控制該設(shè)備的驅(qū)動程序
設(shè)備驅(qū)動是操作系統(tǒng)的一部分，提供了同硬件進(jìn)行基本的輸入輸出的功能。鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、磁盤裝置等，這些計算機(jī)中必備的硬件的設(shè)備驅(qū)動，一般都是隨操作系統(tǒng)一起安裝的。
有時 DLL 文件也會同設(shè)備驅(qū)動文件一起安裝。這些 DLL 文件中存儲著用來利用該新追加的硬件API，通過 API ，可以制作出運(yùn)行該硬件的心應(yīng)用。
我們在之前的文章中探討過，計算機(jī) CPU 只能運(yùn)行本地代碼(機(jī)器語言)程序，用 C 語言等高級語言編寫的代碼，需要經(jīng)過編譯器編譯后，轉(zhuǎn)換為本地代碼才能夠被 CPU 解釋執(zhí)行。
但是本地代碼的可讀性非常差，所以需要使用一種能夠直接讀懂的語言來替換本地代碼，那就是在各本地代碼中，附帶上表示其功能的英文縮寫，比如在加法運(yùn)算的本地代碼加上add(addition) 的縮寫、在比較運(yùn)算符的本地代碼中加上cmp(compare)的縮寫等，這些通過縮寫來表示具體本地代碼指令的標(biāo)志稱為 助記符，使用助記符的語言稱為匯編語言。這樣，通過閱讀匯編語言，也能夠了解本地代碼的含義了。
不過，即使是使用匯編語言編寫的源代碼，最終也必須要轉(zhuǎn)換為本地代碼才能夠運(yùn)行，負(fù)責(zé)做這項工作的程序稱為編譯器，轉(zhuǎn)換的這個過程稱為匯編。在將源代碼轉(zhuǎn)換為本地代碼這個功能方面，匯編器和編譯器是同樣的。
用匯編語言編寫的源代碼和本地代碼是一一對應(yīng)的。因而，本地代碼也可以反過來轉(zhuǎn)換成匯編語言編寫的代碼。把本地代碼轉(zhuǎn)換為匯編代碼的這一過程稱為反匯編，執(zhí)行反匯編的程序稱為反匯編程序。
本地代碼和匯編語言一對一的轉(zhuǎn)換
哪怕是 C 語言編寫的源代碼，編譯后也會轉(zhuǎn)換成特定 CPU 用的本地代碼。而將其反匯編的話，就可以得到匯編語言的源代碼，并對其內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查。不過，本地代碼變成 C 語言源代碼的反編譯，要比本地代碼轉(zhuǎn)換成匯編代碼的反匯編要困難，這是因為，C 語言代碼和本地代碼不是一一對應(yīng)的關(guān)系。
我們上面提到本地代碼可以經(jīng)過反匯編轉(zhuǎn)換成為匯編代碼，但是只有這一種轉(zhuǎn)換方式嗎？顯然不是，C 語言編寫的源代碼也能夠通過編譯器編譯稱為匯編代碼，下面就來嘗試一下。
首先需要先做一些準(zhǔn)備，需要先下載 Borland C++ 5.5 編譯器，為了方便，我這邊直接下載好了讀者直接從我的百度網(wǎng)盤提取即可 （鏈接:https://pan.baidu.com/s/19LqVICpn5GcV88thD2AnlA 密碼:hz1u）
下載完畢，需要進(jìn)行配置，下面是配置說明 （https://wenku.baidu.com/view/22e2f418650e52ea551898ad.html），教程很完整跟著配置就可以，下面開始我們的編譯過程
首先用 Windows 記事本等文本編輯器編寫如下代碼
// 返回兩個參數(shù)值之和的函數(shù)
int AddNum(int a,int b){
return a + b;
}
// 調(diào)用 AddNum 函數(shù)的函數(shù)
void MyFunc(){
int c;
c = AddNum(123,456);
}
編寫完成后將其文件名保存為 Sample4.c ，C 語言源文件的擴(kuò)展名，通常用.c 來表示，上面程序是提供兩個輸入?yún)?shù)并返回它們之和。
在 Windows 操作系統(tǒng)下打開 命令提示符，切換到保存 Sample4.c 的文件夾下，然后在命令提示符中輸入
bcc32 -c -S Sample4.c
bcc32 是啟動 Borland C++ 的命令，-c 的選項是指僅進(jìn)行編譯而不進(jìn)行鏈接，-S 選項被用來指定生成匯編語言的源代碼
作為編譯的結(jié)果，當(dāng)前目錄下會生成一個名為Sample4.asm 的匯編語言源代碼。
匯編語言源文件的擴(kuò)展名，通常用.asm 來表示，下面就讓我們用編輯器打開看一下 Sample4.asm 中的內(nèi)容
.386p
ifdef ??version
if ??version GT 500H
.mmx
endif
endif
model flat
ifndef ??version
?debug macro
endm
endif
?debug S "Sample4.c"
?debug T "Sample4.c"
_TEXT segment dword public use32 'CODE'
_TEXT ends
_DATA segment dword public use32 'DATA'
_DATA ends
_BSS segment dword public use32 'BSS'
_BSS ends
DGROUP group _BSS,_DATA
_TEXT segment dword public use32 'CODE'
_AddNum proc near
?live1@0:
;
; int AddNum(int a,int b){
;
push ebp
mov ebp,esp
;
;
; return a + b;
;
@1:
mov eax,dword ptr [ebp+8]
add eax,dword ptr [ebp+12]
;
; }
;
@3:
@2:
pop ebp
ret
_AddNum endp
_MyFunc proc near
?live1@48:
;
; void MyFunc(){
;
push ebp
mov ebp,esp
;
; int c;
; c = AddNum(123,456);
;
@4:
push 456
push 123
call _AddNum
add esp,8
;
; }
;
@5:
pop ebp
ret
_MyFunc endp
_TEXT ends
public _AddNum
public _MyFunc
?debug D "Sample4.c" 20343 45835
end
這樣，編譯器就成功的把 C 語言轉(zhuǎn)換成為了匯編代碼了。
網(wǎng)站標(biāo)題：Java程序員必須了解的計算機(jī)底層知識
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