极客时间已完结课程限时免费阅读

FAQ第二期 | 世界上第一个编程语言是怎么来的？

FAQ第二期 | 世界上第一个编程语言是怎么来的？-极客时间

FAQ第二期 | 世界上第一个编程语言是怎么来的？

2019-08-23 徐文浩 来自北京
《深入浅出计算机组成原理》
课程介绍

讲述：徐文浩

时长09:18大小8.51M

你好，我是徐文浩，今天是第二期 FAQ，我搜集了第 3 讲到第 6 讲，大家在留言区问的比较多的问题，来做一次集中解答。
有些问题，可能你已经知道了答案，不妨看看和我的理解是否一样；如果这些问题刚好你也有，那可要认真看啦！
希望今天的你，也同样有收获！

Q1：为什么 user + sys 运行出来会比 real time 多呢？

我们知道，实际的计算机运行的过程中，CPU 会在多个不同的进程里面切换，分配不同的时间片去执行任务。所以，运行一个程序，在现实中走过的时间，并不是实际 CPU 运行这个程序所花费的时间。前者在现实中走过的时间，我们叫作 real time。有时候叫作 wall clock time，也就是墙上挂着的钟走过的时间。
而实际 CPU 上所花费的时间，又可以分成在操作系统的系统调用里面花的 sys time 和用户态的程序所花的 user time。如果我们只有一个 CPU 的话，那 real time >= sys time + user time 。所以，我当时在文章里给大家看了对应的示例。
不过，有不少同学运行出来的结果不是这样的。这是因为现在大家都已经用上多核的 CPU 了。也就是同一时间，有两个 CPU 可以同时运行任务。
你在一台多核或者多 CPU 的机器上运行，seq 和 wc 命令会分配到两个 CPU 上。虽然 seq 和 wc 这两个命令都是单线程运行的，但是这两个命令在多核 CPU 运行的情况下，会分别分配到两个不同的 CPU。
于是，user 和 sys 的时间是两个 CPU 上运行的时间之和，这就可能超过 real 的时间。而 real 只是现实时钟里走过的时间，极端情况下 user+sys 可以到达 real 的两倍。
你可以运行下面这个命令，快速验证。让这个命令多跑一会儿，并且在后台运行。
time seq 100000000 | wc -l &
然后，我们利用 top 命令，查看不同进程的 CPU 占用情况。你会在 top 的前几行里看到，seq 和 wc 的 CPU 占用都接近 100，实际上，它们各被分配到了一个不同的 CPU 执行。
我写这篇文章的时候，测试时只开了一个 1u 的最小的虚拟机，只有一个 CPU，所以不会遇到这个问题。

Q2：时钟周期时间和指令执行耗时有直接关系吗？

这个问题提的得非常好，@易儿易 同学的学习和思考都很仔细、深入。
“晶振时间与 CPU 执行固定指令耗时成正比”，这个说法更准确一点。我们为了理解，可以暂且认为，是晶振在触发一条一条电路变化指令。这就好比你拨算盘的节奏一样。算盘拨得快，珠算就算得快。结果就是，一条简单的指令需要的时间就和一个时钟周期一样。
当然，实际上，这个问题要比这样一句话复杂很多。你可以仔细去读一读专栏关于 CPU 的章节呢。
从最简单的单指令周期 CPU 来说，其实时钟周期应该是放下最复杂的一条指令的时间长度。但是，我们现在实际用的都没有单指令周期 CPU 了，而是采用了流水线技术。采用了流水线技术之后，单个时钟周期里面，能够执行的就不是一个指令了。我们会把一条机器指令，拆分成很多个小步骤。不同的指令的步骤数量可能还不一样。不同的步骤的执行时间，也不一样。所以，一个时钟周期里面，能够放下的是最耗时间的某一个指令步骤。
这样的话，单看一条指令，其实一定需要很多个时钟周期。也就是说，从响应时间的角度来看，一个时钟周期一定是不够执行一条指令的。但是呢，因为有流水线，我们同时又会去执行很多个指令的不同步骤。再加上后面讲的像超线程技术等等，从吞吐量的角度来看，我们又能够做到，平均一个时钟周期里面，完成指令数可以超过 1。
想要准确理解 CPU 的性能问题，请你一定去仔细读一读专栏的整个 CPU 的部分啊。

Q3：为什么低压主频只有标压的 2/3？计算向量点积的时候，怎么提高性能？

低压和低主频都是为了减少能耗。比如 Surface Go 的电池很小，机器的尺寸也很小。如果用上高主频，性能更好了，但是耗电并没有下来。
另外，低电压对于 CPU 的工艺有更高的要求，因为太低的电压可能导致电路都不能导通，要高主频一样对工艺有更高的要求。所以一般低压 CPU 都是通过和低主频配合，用在对于移动性和续航要求比较高的机器上。
向量计算是可以通过让加法也并行来优化的，不过真实的 CPU 里面其实是通过 SIMD 指令来优化向量计算的，我在后面也会讲到 SIMD 指令。

Q4：世界上第一个编程语言是怎么来的？

如果你去计算机历史博物馆看一下真机，就会明白，第一台通用计算机 ENIAC，它的各种输入都是一些旋钮，可以认为是类似用机器码在编程，后来才有了汇编语言、C 语言这样越来越高级的语言。
编程语言是自举的，指的是说，我们能用自己写出来的程序编译自己。但是自举，并不要求这门语言的第一个编译器就是用自己写的。
比如，这里说到的 Go，先是有了 Go 语言，我们通过 C++ 写了编译器 A。然后呢，我们就可以用这个编译器 A，来编译 Go 语言的程序。接着，我们再用 Go 语言写一个编译器程序 B，然后用 A 去编译 B，就得到了 Go 语言写好的编译器的可执行文件了。
这个之后，我们就可以一直用 B 来编译未来的 Go 语言程序，这也就实现了所谓的自举了。所以，即使是自举，也通常是先有了别的语言写好的编译器，然后再用自己来写自己语言的编译器。
更详细的关于鸡蛋问题，可以直接看 Wikipedia 上这个链接，里面讲了多种这个问题的解决方案。

Q5：不同指令集中，汇编语言和机器码的关系怎么对应的？

不同指令集里，对应的汇编代码会对应这个指令集的机器码呀。大家不要把“汇编语言”当成是像 C 一样的一门统一编程语言。
“汇编语言”其实可以理解成“机器码”的一种别名或者书写方式，不同的指令集和体系结构的机器会有不同的“机器码”。
高级语言在转换成为机器码的时候，是通过编译器进行的，需要编译器指定编译成哪种汇编 / 机器码。
物理机自己执行的时候只有机器码，并不认识汇编代码。
编译器如果支持编译成不同的体系结构的汇编 / 机器码，就要维护很多不同的对应关系表，但是这个表并不会太大。以最复杂的 Intel X86 的指令集为例，也只有 2000 条不同的指令而已。

Q6：某篇文章大段大段读不懂怎么办？

@胖胖胖 同学说得很好。在专栏最开始几篇，或者到后面比较深入的文章，很多非科班的或者基础不太好的同学，会觉得读不下去，甚至很多地方看不懂。这些其实都是正常现象。
即便我在写的时候，已经尽可能考虑得比较完善，照顾大家的情况，但是肯定无法面面俱到。在我平时学习过程遇到拦路虎的时候，我一般有两种方法，这里跟你分享一下。
第一种，硬读。
你可能说了，这也叫方法吗？没错，事实就是这样。如果这个知识点，我必须要攻克，就想要搞明白，那我就会尽我所能，去看每一个字眼，把每个不理解的地方，都一点一点搞明白。不吝啬花费时间和精力。
当然这种情况适合我对这个内容完全不了解，或者已经基本了解，现在需要进一步提升的情况下。因为，在完全不了解一个知识的时候，这个壁垒是很高的。如果不想办法突破的话，那可能就没办法了解这个新的领域。而在已经基本了解某个领域或者某块知识的情况下，我去攻克一些更高难度的知识，很多时候也需要同样的方法，我会建立在兴趣的基础上去硬读，但是之后会非常非常有成就感。
第二种，先抓主要矛盾，再抓细节问题。
很多时候，大家在对一个知识不了解的时候，会感觉很“恐慌”。其实完全没必要，大家学任何东西都是从不会到会这么一个过程。就像@胖胖胖 同学说的那样，先找出这篇文章的主干，先对这些东西有个大致的概念。如果有需要，在之后的过程中，你还会碰到，你可以再重读，加深印象。
有时候，学习知识可以尝试“短期多次”。也就是说，看完一遍之后，如果不明白，先放下，过一段时间再看一遍，如果还不明白，再过一段时间再看。这样循环几次，在大脑中发酵几次，说不定就明白了，要给大脑一个缓冲的时间。
好了，今天的答疑到这里就结束了。不知道能否帮你解决了一些疑惑和问题呢？
我会持续不断地回复留言，并把比较好的问题精选出来，作为答疑。欢迎你继续在留言区留言，和大家一起交流学习。
分享给需要的人，Ta购买本课程，你将得20元
生成海报并分享

赞 21

提建议

© 版权归极客邦科技所有，未经许可不得传播售卖。 页面已增加防盗追踪，如有侵权极客邦将依法追究其法律责任。
上一篇
用户故事 | 赵文海：怕什么真理无穷，进一寸有一寸的欢喜
下一篇
特别加餐 | 我的一天怎么过？
unpreview
 写留言

精选留言(14)

  • Lrwin
    2019-08-31
    这个专栏真的学到很多
    6
  • 随心而至
    2019-10-25
    这几个加餐同样不能错过，徐老师分享了许多学习的方法和经验。
    4
  • 南山
    2019-08-23
    赞~
    3
  • 秋天
    2019-10-15
    读书百遍 其义自见把 看不懂 就多读几遍把
    3
  • -_-|||
    2020-01-21
    “user 和 sys 的时间是两个 CPU 上运行的时间之和，这就可能超过 real 的时间。”多核感觉运行会更快，为什么反而比单核user 和 sys的时间更多呢，并且超出real

    作者回复: -_-_aaa同学， 你好，因为这里是 CPU时间，不是时钟时间，两个CPU各运行了0.1s，在CPU时间里面统计是 0.2s

    2
  • enjoylearning
    2019-08-31
    这个自举有点意思
    1
  • 许童童
    2019-08-23
    跟着老师一起精进。
    1
  • leslie
    2019-08-23
    老师提到了低电压其实只是和能熬有关而不省电，那么为何它能提升性能呢？ 想进一步求教老师一个问题；自己试过低电压的内存和常规的内存，为何主频一样但是就是明显的感觉笔记本的流畅性不同-尤其是加载虚机或者文件时，明显就是使用的时候感觉低电压顺畅一些，时间大概能节约大概20-30%左右。这是为何？希望老师提点。
    共 1 条评论
    1
  • Wheat_Liu
    2021-01-26
    还是不太懂，real time那块。单CPU顺序执行两条指令的时间，跟多CPU执行两条指令的时间然后加在一起，为什么会不一样，时间差在哪
  • seker
    2020-08-13
    汇编语言不是一门统一的编程语言，不同的指令集对应不同的汇编语言。汇编语言会对应到指令集中的机器码，可以把汇编语言理解为机器码的一种“书写方式”。高级语言在转换为机器码的时候，需要用到编译器，而编译器是需要指定编译为哪种机器码的。 基于Q5，我总结后想提一个问题，自己先回答了下，不知是否准确。 【不同高级语言转换为机器码的时候，转换出的机器码，是否是一样的？】 我的理解是，如果你的CPU是Intel X86指令集，在指令集相同的情况下，不同高级语言转换出的机器码是一样的。如果CPU是不同的指令集，那么不同高级语言转换出的机器码是不一样的。
    展开
  • 叶昊
    2020-03-29
    很有用的方法
  • 烟云
    2019-12-21
    学习方法不错!赞!
    1
  • 赵捌玖
    2019-08-23
    打个卡哈哈哈哈哈
  • 伟忠
    2019-08-23
    👍🏻👍🏻👍🏻