志玲姐姐与程序运行杂谈
进入公司后，小牧开始进行了一些业务的研发工作。在校期间，他已经能够利用现有的框架进行编码了，比如他擅长的Spring来写java，用flask写个简单的python web等。但是他心里一直有一个疑惑：
“我读了7年的计算机专业，学了很多基础知识，可是现在在公司工作，每天就写了简单的业务逻辑代码，那我学那么多什么编译原理操作系统的，有啥用呢？”
今天午饭的时候，小牧趁着午饭间隙，和前辈聊起了这件事情。前辈笑了一下：年轻人，你要多学会思考。你说的那些，实际上也就是我们所说的计算机的基础知识。我可以给你聊聊我们写代码的和这些基础知识有啥联系。
我们聊计算机，首先可以聊一聊计算机的组成。
计算机根据冯诺伊曼体系划分呢，可以划分为运算、控制、存储、IO。我们可以把计算机系统画成图1的结构。
图1 计算机组成结构
在这张图中，有运算器机器，纯粹做基本运算的组件。控制器，也就是志玲姐姐管理员。高速缓存桌子，内存书柜，外存仓库，IO接待窗口。图中的浅蓝色文件就是我们要运行的程序。勤劳的志玲姐姐会帮我们处理文件，也就是运行我们提交给系统的程序的。我们分别介绍一下各个部分。
外存仓库
由于程序太多，志玲姐姐建了一个仓库用来存放各种大量的数据。IO接待处
志玲姐姐不仅要处理从仓库取出来的任务，还需要到办事接待窗口去接待过来提交程序的程序员。办事窗口可以与外界进行交互。内存文件柜
当志玲姐姐在外面拿了很多程序后，会将程序（文件）存放在房间里的内存文件柜放着，然后慢慢从书柜上面取出文件来处理。不同的文件柜，可能摆放的顺序不一样，柜上的编号不一样。如果文件柜里没有志玲姐姐需要的文件的话，那她就会去仓库取，或者等窗口有人送文件过来。高速缓存桌
每次都要起身去文件柜拿文件太麻烦了，所以志玲姐姐有一个办公桌。她把文件先从柜子里取出一些来放到桌子上，要处理的时候就直接从桌子上取。但是显然桌子上放不下太多东西，只能放一部分。
所以，志玲姐姐就在有条不紊地从仓库呀、桌子呀、书柜上呀、窗口呀等去取文件来处理。
其实上面还有很多细节的部分，比如说志玲姐姐会取什么样的文件放到书柜，书柜里的文件如何 维护，桌子上的文件又应该放哪些等，都涉及到很多策略和知识。时间有限，这里我就不展开讲了。
其实呢，我们只有知道了志玲姐姐的习惯、喜好、风格，才能追到女神，不对，才能运行好程序。我们程序员设计程序，要让程序准确、高性能去运行，那么就要让志林姐姐更加高效准确地帮我们处理“文件”。这里我们举几个例子。
志玲姐姐在帮我们把文件投入运算器时，按照什么顺序去投呢？如果几个文件之间有依赖顺序，比如得先执行A，再执行B，那么就只能按照先A再B的顺序执行。但如果AB之间没有关联，那么就可以同时把A、B塞进机器（在机器可允许的容量范围之内）处理。这样显然是会加快处理效率的。因此对于程序设计来讲，知道了处理器的指令级并行机制，可以加快程序的运行效率。
对于高速缓存桌，加入志玲姐姐要处理的文件就在桌上，那么伸手就拿到了。如果没有的话，还得起身去书柜去找，书柜没有，就得出门去仓库或者窗口去要。这样时间显然就会浪费很多。因此我们希望志玲姐姐尽量不要起来，尽量多地优雅坐在桌前伸手处理桌上的，这样也会提供她的效率。这也就是我们的缓存命中率，我们需要尽量提高缓存命中率。如何提供？如果在设计程序时，尽量保证时间局部性和空间局部性，那么就能提高效率。那什么是局部性？举例来讲，志玲姐姐一般认为如果现在需要用到文件A1，那么和文件A1挨着放在一起的文件A2可能也会用到，那就一起取过来吧。如果下次刚好用到了A2，那么就可以直接用了。我们的程序要尽量提高局部性设计。
此外，比如你心疼志玲姐姐，那么就希望她能简单工作。如果她一会儿处理A，接着又去处理B，一会儿有C……就很折腾，因为她在切换处理的工作时需要做很多操作，比如假如A还没处理完，就得先把A的状态保持一下。尽量减少点调用，减少她处理文件的类别，那么也是一个提高效率的机制，也就是减少函数调用。
其实还有很多方法，不管怎么说，我们只有了解了整个处理过程，各个组件的属性，这样才能设计出“面向志玲姐姐”的程序。因此这也是我们学习计算机组成的各个部分的原因。
但是，对于大多数理工直男来讲，追志玲姐姐太困难，不知道志玲姐姐的喜好。并且如果每个人都去了解的话，那就太麻烦了。所以现在有很多编译器，会先帮我们的程序进行“面向志玲姐姐”优化，然后再把任务提交给志玲姐姐。但是编译器毕竟优化有限，并不是全能的，我们还是需要掌握优化设计的方法。因此，去看汇编，看看编译器帮我们如何优化程序的；去看处理器，了解他的分支预测方式，让他预测更准……
“所以，年轻人，你还有很长的路要走呀。”
小牧简历：
中国科学院软件研究所硕士毕业生，作为初入职场的菜鸟进入B公司，开始自己的程序人生之路。
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