白话计算机科学

学了这么多年的计算机，我在想，要是有个不懂计算机的人想了解计算机科学的内幕，我该怎么回答呢？我简单整理了一下，于是，就有了这篇文章。

计算机的出现源于战争的需要，因为在研制先进武器的过程中，需要大量的科学计算。为了帮助人们计算大量复杂且繁琐的科学计算工作，人们发明并改进了计算机。

计算机的工作原理简单的说，就是从输入中取得数据，计算之后再输出。最常见的输入设备是键盘，最常见的输出设备是显示器，你看计算器就是这样的。如果你想长久地保存一些数据，那就得放到磁盘之类的存储设备上了。现代计算机的硬件架构都是基于冯·诺依曼体系结构的（这货很牛逼，但总有一天会过时的），包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这五类。

可是使用这样一个裸机会带来很多问题。首先，一次只能运行一批处理程序，如果有程序正在用（哪怕它目前没有任何计算任务），其他程序就必须等，效率低下；其次，这些硬件资源的管理成本很高，写程序的人只关心计算结果，并不想陷入到硬件细节中去，否则会消耗大量的精力。

于是，（现代）操作系统就诞生了。它是硬件层面上的第一层软件，它把计算机的所有硬件资源都管理了起来，屏蔽掉了底层的使用细节，并且给使用计算机的人以简洁的接口，同时，它还支持同时运行多个程序且互不影响，大大提高了计算机的利用率。

虽然有了操作系统，计算机更方便使用了，但是，人们写程序还是很不舒服的。因为计算机只认识二进制的数据，而这种由0和1组合起来的代码并不适合人类阅读和使用（就像这样0101000101010101101010001010），人类更喜欢使用自己的语言（if 明天是个好天气 then 我就晒被子）。

于是，编程语言就出现了。什么汇编、C、Java，乱七八糟的编程语言一箩筐。每种语言都有它擅长的地方和不擅长的地方，比如C语言就非常适合系统级编程，而Javascript则是Web页面的不二之选。有了编程语言，人们写起程序就溜的飞起了。

这下，人们写程序方便了，但是计算机可懵逼了。它不认识乱七八糟的字母，它只认识数字。于是，编译器闪亮登场。它能够将人类可读的高级编程语言翻译成机器可执行的代码。简而言之，它就是个翻译，从一种语言翻译成另一种语言。

这下终于好了，我写一个{if 到早上7点了 then 打开窗帘}，计算机就能读懂我的代码，并且自动执行了。当然这个程序很简单，但假如我想统计学校里所有学生的成绩并排序，该怎么办呢？

在解决这个问题之前，我们需要稍微深入地理解一下计算机。我们写软件，写程序，实际上就是通过计算机这么一个工具帮助我们解决问题。计算机擅长处理数据，而如何高效地让计算机处理这些数据，则是我们的问题。于是，算法来了，它实际上就是一些适合用计算机来实现的解决问题的办法。不同的算法的性能差别很大，比如同样给1万个学生的成绩排序，有的排序算法1秒之内就能给出结果，有的可能需要好几分钟。同时，算法的特性极大地受到数据结构的影响，如何选择数据结构有时候直接能决定一个问题是否能够解决。

除了数据的处理之外，计算机的另一个重要的问题就是数据的存储。结构化的存储能够帮助我们快速准确地找到想要的数据，而数据库和数据仓库是解决这个问题的利刃。相对于文件存储来说，数据库提供了更强大的数据存储和检索功能；而数据仓库则更适合对大量数据进行分析，提取一些更有价值的信息。

有了数据，我们能做很多事情，基于海量的数据和先进的处理方式，我们迎来了大数据和人工智能的时代。这些都是现下的热门，也是未来的发展趋势之一。

为了搞定这些数据，软件的设计也相应地要解决很多很复杂的问题，要考虑功能、性能、扩展性、可维护性、安全性等等。所以，人们总结并发明了不少编程的设计方法，比如面向对象编程（以及使用该方式总结出来的经验设计模式），软件系统架构等等。

以上说的都还是单机的软件，如果把多台计算机连接起来，会发生什么呢？boom！这就是我们今天的互联网和移动互联网。它们的出现得益于计算机网络的研究和发展。计算机网络解决的问题就是计算机与计算机之间如何通讯的问题，它的重要性相当于人类赖以交流沟通的语言。

当计算机和计算机借由网络连接起来协同工作时，就像几个人组成一个小组一样，可以做更多更强大的事情。而分布式系统解决的就是多台计算机协同工作时要面临的问题，比如数据一致性、安全性、容错机制等等。我们所说的云计算，很多实际上背后就是分布式系统。云计算的一个重要的用途是资源整合，它可以把多台计算机的资源整合成一个资源池，你可以把它看成一个超级计算机，拥有N多的CPU和N多的内存，你需要多少，它就给你分配多少。这样，当你想发布一个软件的时候，不需要再自己买服务器，直接管云计算服务提供商买就行了，不仅成本更低（租用办公室的钱都省了），而且扩容更加方便。可能未来某天，我们的终端仅仅需要输入和输出设备就够了，所有的数据和计算任务都交给“云”来搞定。

以上就是计算机科学的一个简单的概览。其实还有一些内容我没有说，比如计算机图形图像、语音识别等等，它们同样为我们的生活带来了许许多多的便利。

我想，生活在这个时代是幸运的，能从事IT方面的工作也是令人兴奋的一件事。