第一章 基本概念

前言

這一章或許會比較枯燥，想直接實際操作C++編碼的可以直接跳過。此文章有許多個人心得，非原則性的說法見諒，如有常識性的錯誤，歡迎提出。

1.計算機與二進制

眾所周知，計算機和數學密切相關，屬于一門科學。如物理、生物和化學一樣，通過邏輯定義來解釋世間的事物。就說物體的運動規律吧，前有亞里士多德提出“力是物體運動的原因”，后有牛頓提出“力是改變物體運動的原因”，再有愛因斯坦說“世界不存在力，質量造成時空彎曲，從而形成了物體的運動軌跡”。所以計算機實際是一種，以二進制為基礎形成的邏輯方式。計算機所顯示的圖像、音頻、文本，皆是由二進制所表示；數據通過電線傳輸通過電信號的高低形成了二進制序列；數據在硬盤上存儲也是通過改變磁碟的磁性來實現的，最終識別磁性轉化為二進制序列。所以對計算機和二進制的理解，是非常重要的，或許在C語言老師講的時候并不會認識到這一點是多么的基礎和重要。

所謂進制就是表示數字的方法，滿幾進一位。比如常用的十進制，也就日常生活用到的，0-9來表示數字，如果人有12個手指，或者能夠很方便的使用腳趾，可能現在使用的就是12進制或者20進制。計算機的基礎是二進制，也就是只有0和1兩個數字。之所以采用二進制，是由于電路便于識別高低電平，半導體的硬件特性可以組合形成邏輯運算。比如代碼中的邏輯與、邏輯或、邏輯非運算，在電路中可以用晶體管組合形成，玩過《我的世界》的同學應該知道在游戲里面可以通過紅石電路實現簡單的數值計算。現在的CPU集成的晶體管數量已經在100億的數量級了，所以額外說一句，在代碼中糾結一個加法和乘法的效率區別，對于新手來說是沒有必要的，反而是錯誤的。

下面來計算一下幾個常用的值，1位二進制可以表示0或1，也就是1位二進制可以表示2個值。如果我們要表示2這個數字，就必須進一位，用兩位二進制表示，也就是10。所以表示3的二進制為11，表示4的二進制為100。那么不難得出二進制位數和可表示值的數量關系：

其中N為可表示值的范圍，n為二進制的位數。那么8位二進制可表示的值數量為2的8次方，也就是256。由于0占一個位置，所以8位二進制表示從0開始的數字，就可以表示[0,255]。如果用一半表示負數那么就是[-128,127]，當然以上只是常用的表示范圍，要是自己想的話也可以表示[1,256]或者[10000,10255]，反正只能區分256個值而已（注意這里中括號表示的是閉區間，如果是開區間則用小括號表示，和數學上的概念一致）。

8位二進制就稱為一個字節，關于數字和類型的大小后面的章節再詳細介紹。

2.編譯原理和圖靈機

當老師講到編譯原理的時候，編譯器經過了N個階段，最終才生成了可執行程序，這個時候我們已經迫不及待了，對程序編譯的過程毫不感興趣，實際上這一階段也需要理解一下。

我們所鍵入的C++代碼是我們能夠看懂的（或許久了也看不懂了），而計算機只能識別二進制，所以編譯器即是一個將高級語言（C++）的代碼按一定規則，轉化為機器可識別的機器碼的工具。也就是高級語言->匯編語言->機器語言的過程。幸好編譯器幫我們實現了這些功能，不然學編程必然是門檻極高的一件事。可是現在由于底層堆疊的層數太多，導致碼農叢生，這也就不奇怪了。不理解計算機的原理，不接觸C語言，我覺得應該難以成為高手，當然除了只是簡單利用編程進行一些計算和研究的人，沒有必要研究那么透徹。再底層一些的工作也就是接觸匯編與操作系統，做CPU相關的研發。不過國內的發展順序和國外恰好相反了，一開始的計算機通過卡片打孔來輸入數據，也就是機器語言，后面為了方便人理解和編寫，就有了匯編語言。最初的操作系統也由匯編語言寫成，而匯編語言不夠結構化，才有了高級語言。由于程序規模越來越大，也就有了更多的框架與結構，比如C++，以面向對象編程思想和方法進行開發。而腳本（虛擬機）語言為更上一層的事物，它并不直接編譯成機器語言，而是直接調用已編譯好的機器碼，比如Java與C#。

但是萬變不離其宗，所有在計算機上執行的程序都是一層一層向下調用，最后通過二進制的邏輯運算，CPU等硬件的處理，最終依賴了真實世界的法則。

圖靈和馮諾依曼被稱為計算機之父，圖靈提出的圖靈機就像現代計算機理論上的執行方式。程序像一條長紙帶，紙帶上記錄了符號，機器通過讀取當前紙帶位置的符號來做運算將結果記錄到紙帶上，并且移動紙帶到特定位置。而馮諾依曼計算機則是圖靈機的工程化實現，構成了現代計算機的核心理論。其實你只要用心想一想，自己面對的顯示器、手機所呈現的內容，到底是如何由一些芯片電路驅動的，就會覺得計算機實際上是一種理論與實踐的結合，軟件只不過是硬件上的抽象理論，而硬件才實現了軟件所需的功能。就像汽車華麗的外表掩蓋了內部的機器運作，如果要研究如何制造汽車，光關注于軟件層面的理論，那是萬萬不得行的，所以學習編程語言當然也需要稍微理解背后的原理。至于開發國產CPU，實現操作系統，發明一門編程語言，實現計算機硬件一整套的生產，這些事情就需要天才的您來完成了，我的能力有限。

3.層級結構

層級結構是非常常用的計算機結構，無論是硬件與軟件，層次都很明顯。就像堆積木一樣，從最底層的內容不斷積累才形成了現在的計算機體系。就說硬件層面上的數據保存吧，最基本的是硬盤->內存->CPU，由于數據最終需要通過CPU處理，硬盤和內存的二進制數據就需要想辦法傳輸給CPU，由于（機械）硬盤通過磁盤保存數據，讀取數據需要硬盤里的磁頭高速旋轉來讀取數據，所以等硬盤的數據傳遞給CPU就太慢了。內存作為主要的數據緩存，以不同的硬件實現來保存數據，并且可以快速的傳遞給CPU，當然缺點就是容量更小，且斷電不能保存。而CPU實際還帶有高速緩存，也就是CPU之內的“內存”，速度更比內存快，但容量也更小。CPU的高速緩存一般分3級，最常用的數據放置到一級緩存，這樣就能最快的讀取。如果放不下就只能往后排，最后就只能放到內存。內存如果也放不下，程序的編寫者就需要動態的加載數據到內存，當然用時從硬盤加載到內存就會很慢了。這也是為什么有些游戲需要加載時間，下面舉例：

小明點開一個程序，這時程序（就像一張紙條）從硬盤讀取到內存，再從初始位置執行，通過CPU的運算，改變處理的位置，并改變程序在內存中的數據。這樣就是程序執行的基本過程。當然這只是大概的邏輯，其中細節就太多了。每一個細節都被無數程序員研究過，所以咱們就不研究那么細節了。

當然上面的層次還可以附加，比如大家所說的“云計算”、“云游戲”。其實原理就是數據通過網絡保存在其他電腦上，或者通過其他電腦處理數據，自己只輸入數據和接收結果。而“分布計算”是通過網絡連通許多的電腦來一起計算。

通過網絡用其他電腦保存數據，就可以代替硬盤的作用，當然就可以視做硬盤之下的一個層次。

軟件上的層次也很明顯，如第二節所說的，最基本的是機器識別的機器語言，然后是匯編語言，然后是高級語言。而軟件開發時，操作系統提供了API接口隱藏了與硬件的交互，讓一般的程序員不需要和硬件打交道。再之上有通用的類庫，比如解析png、jpg格式的圖像庫，使用字體的freetype庫，3D開發的DirectX庫，這些可以算一個層次。再之上就是游戲引擎、UI界面庫等。有些游戲提供mod功能，也如同微信小程序，是在應用之上提供的開發功能，也可以算一個層次。這些就像一整條產業鏈，作為個人很難每一個都精通，當然也很難撼動現有的體系。要從頭做起，也是不太可能的事情。

4.計量單位

咱們終于可以說一些比較客觀的東西了，一些有固定定義的內容~

首先1位二進制，這個叫1位，如同一個開關可以表示兩個狀態，也可以叫做1bit。

8位叫做1個字節，也就是1byte。而我們經?？吹降腒B單位，即是kilobyte（千字節）。但是在程序員眼里1024才是整數，所以實際上1KB = 1024byte。

所以：

除了字節的常用說法外，還有字的說法，也就是WORD，這個實際是兩個字節。DWORD是Double WORD的縮寫，所以實際是4個字節?，F在常用DWORD表示顏色，在各種顏色代碼里我們可以看到0xffff0000或者#afafaf之類的寫法，實際這就是占4個字節的十六進制數字。

5.C++是什么

C++如同數學一般，是定義的一套規則。至于編譯器如何編譯是編譯器的事情，與C++無關。你只需要按照我規定的語法行事即可。所以C++是跨平臺的，無論什么操作系統都可以使用，不過這個也要看你如何使用，如果在Windows平臺使用VS編譯器，并且使用WindowsSDK提供的API，那么就是依賴了平臺。不過依賴平臺是必須的操作，就像你在中國混就得按中國的規矩來。一般的做法是為不同的操作系統寫不同的代碼，不依賴操作系統的代碼就可以不變。

C++的前身是C語言，C語言由貝爾實驗室于1972年研發出來。最開始C++名字叫c with class，也即是帶類的C語言。所以C++基本是兼容C語言的，不過卻多了很多語法。而且C++的標準（也就是語法規則）在不斷的更新，最新的是C++ 20版本，不過對于新手來說可以不用關心這些。

在2010年的時候我在新華文軒買了我的第一本C++書，不過接下來好幾年都沒看明白，直到高三的時候有了些感覺。為何我要選擇學C++呢，因為我看到網上說C++比較適合做游戲，于是就入了坑?，F在我認為C++確實是游戲行業的不二選擇（或許國內不是），C++也比較適合大型軟件的開發，最重要的原因是我認為如果不會C語言，就不太可能成為高手，不會面向對象也難以跟上時代。雖然Java、C#和許多腳本語言比C++簡單很多，也能夠開發很多有用的軟件。但是吧，要深入研究計算機編程，學C++應該是比較好的。

結語

本章大概說了一些基本常識，如果不太理解應該是很正常的，很多詞匯我并沒有具體解釋，一下子就會犯迷糊。不要由此失去了學C++的信心，這只是一個大概的論述。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【C++教程】01.基本概念的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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