回到本真，梦回计算机发展史

2022-07-10

前言

关于之前「Go语言的内存管理实现」这部分，本来接下来是要给大家继续讲解「Go语言堆内存、栈内存分配」的，以及这部分之前图都画完了。但是呢，写文章的时候，写着写着发现写不下去了，为什么？

我发现想要彻底理解「Go语言堆内存、栈内存分配」必须需要很清楚的理解：什么是堆内存和栈内存，看到这里肯定很多朋友笑了「堆内存/栈内存」那不简单么：

栈内存：栈内存的分配和释放都是由程序自己操作的，无需我们程序员关心。
堆内存：一种是编程语言要求由我们程序员分配、释放堆内存，不小心的话就会带来内存泄漏；另一种由于编程语言自己实现了垃圾回收器，堆内存的分配、释放也不需要由我们程序员关心了，垃圾回收器会自动回收堆内存。

确实，上面的说法没什么问题。但是呢，本着刨根问底的态度，我再来引申几个问题：

栈内存到底存在于哪？栈内存具体是被谁分配和释放的？栈内存分配和释放的具体时机是什么时候？
有了栈内存为什么还需要堆内存？堆内存到底存在于哪？为什么只有堆内存需要垃圾回收机制回收？

为了彻底帮助大家简单明了的吃透「堆内存、栈内存」，又不断引申出了新的问题：

我们写的代码、以及运行起来的程序到底是什么？

在解决这个问题的时候，却又引申出了新的问题：

刨根问底，计算机到底是怎么运行起来的？

最后这样一步步引申到了「计算机原理」和「计算机的发展史」，为了更好理解这些问题，于是这两个月我又读了三本书，具体如下：

《程序是怎么跑起来的》
《计算机是怎样跑起来的》
《计算机：一部历史》

我把读完这三本书学习到的知识点进行整理，以及结合自己的理解，抽丝拔茧帮助大家去理解：

我们写的代码到底是什么？
运行的程序到底是什么？
计算机到底是什么？

搞定了这些问题，我们再去学习「Go语言堆内存、栈内存」或者别的语言的「堆内存、栈内存」都会得心应手，容易很多。

正文

本篇文章是自己对这两个月学习内容的总结，同时也帮助大家对计算机发展历史有一个基本的认知，本文主要目录如下：

计算机启蒙于数学
计算机发展于电子学+数学
具有语义的编程语言
程序集合：操作系统

计算机启蒙于数学

理论计算机：图灵机

上个世纪伟大的数学家们发起了一个挑战大概意思是：“制造一台机器可以自动计算数学问题”。当时伟大的数学家艾伦·图灵提出了自己的理论，大概思路是通过输入之后机器可以自动计算并输出结果，这个理论就是大名鼎鼎的“图灵机”，艾伦·图灵就是理论计算机“图灵机”的创造者。

算术问题也是逻辑问题

不难理解，数学问题都可以转化为两类问题：

算术问题：四则运算等
逻辑问题：与、或、非、异或等

算术问题可以通过逻辑运算解决，所以所有数学问题都可以看作是逻辑问题。所以，只要找到可以自动判定真假的某种机器即可实现自动计算。

这里就有人疑惑🤔了，逻辑问题怎么解决算术问题的，想要理解这个问题我们先回到小学加法运算，比如16+36的计算过程：

16
36
    +
------
 2
4   1(进位)
------
52

这个运算过程我们只需要重点关注以下几点：

从左到右按位进行10以内的加法运算(算术问题)
保存当前位的计算结果(存储)
当前位计算结果是否需要进位(逻辑问题是否需要进位)

目前进位的问题已经可以转化为逻辑问题了。以上是十进制的加法运算过程，我们换成更简单二进制加法运算再来看看，如下：

最简单的二进制

二进制相对于十进制更加简单，只有0和1两个状态，简单回顾下二进制的加法运算过程：

为了简化理解这里以十进制 3 + 6 的二进制运算过程为例：

二进制分别为：
0011
0110

A：加数
B：被加数
C：进位，当前位运算后的进位结果，有进位则进位值为1，无进位则进位值为0
D：结果，当前位运算结果
C1：进位，上一位运算后的进位

二进制计算过程：

<------从右到左最低位开始逐位运算------

A   0   0   1   1
                ^    按位异或运算
B   0   1   1   0
---------------------计算第1位
D               1
C               0


C1          0      
            ^  
A           1
            ^
B           1
---------------------计算第2位
D           0
C           1


C1      1      
        ^  
A       0
        ^
B       1
---------------------计算第3位
D       0
C       1


C1  1      
    ^  
A   0
    ^
B   0
---------------------计算第4位
D   1   0   0   1

A：加数
B：被加数
C：进位，当前位运算后的进位结果，有进位则进位值为1，无进位则进位值为0
D：结果，当前位运算结果
C1：进位，上一位运算后的进位

A	B	C1	D	C
-	-	-	A异或B异或C1	(A 与 B) 或者 (C1 与 (A 或 B))
1	0	0	1	0
1	1	0	0	1
0	1	1	0	1
0	0	0	1	0

结果D表达式： D = A 异或 B 异或 C1
进位C表达式： C = (A 与 B) 或者 (C1 与 (A 或 B))

以上过程把十进制 3 + 6 的算术运算完全转化为了逻辑问题，所以只要找到可以自动判定真假的某种机器即可实现自动计算。

计算机发展于电子学和数学

上个世纪电子学开始广泛发展，晶体管的诞生为理论上的「自动的机器」指明了新的方向🧭。晶体管有两个状态，分别是：

导通：即可以代表二进制的1
截止：即可以代表二进制的0

接着，数学家&电子学家们用多个晶体管构成门电路：

与门
非门
或门
异或门

这样就实现了可以「自动判定逻辑问题的真假的设备」，同时数学家和电子学家们又通过多个门电路实现了半加器、全加器、全减器、乘法器等实现算术运算：

半加器
全加器
全减器
乘法器

这样就诞生了世界上第一台真正意义的计算机。

具有语义的编程语言

上面诞生了硬件，也就是真正意义的计算机。问题是如何编写程序？我们的程序其实就是门电路中的晶体管不断的运行导通1和截止0两个状态之间，对应的文本代码其实就是数字0和1，所以早期的代码就是直接编写0和1的代码。但是对于人类阅读友好的永远是具备描述性的具备可读性的文本，于是诞生了更适合人们阅读和编写的汇编代码。