0 前言

本文以十進制整數爲例，使用2個最簡單的表達式char a = -20;和char c = a + b;,爲你深入淺出地講解計算機思維，力求將抽象的計算機思維具象化講解，同時，我將爲你描述一個宏大的計算機世界的藍圖。

計算機思維與核心思想概要：

人類世界與計算機世界的通道：編碼與譯碼
計算機處理信息的本質：二進制信息的運算
現實世界向計算機世界的映射：二進制信息運算的原則
人類與計算機鬥爭的勝利與妥協：分而治之、抽象思想與分析程序行爲、分工協作

爲了避免內容的冗雜，本文只談及十進制整數和二進制數，力求使用最淺顯易懂的知識，講清楚高深的計算機思維。

1 人類世界與計算機世界的通道：編碼與譯碼

本小節，從最簡單的十進制整數與二進制數的相互轉化，來解釋編碼與譯碼。

1.1 一段簡單的C語言代碼

你需要使用VS 2017進行單步調試和查看內存。

補充鏈接：使用VS 2017進行單步調試和查看內存

這裏我們用char代表能夠存儲一字節大小的機器數的容器，並不使用其字符的功能。

你可以想象，這是一個char類型的容器，能夠存儲8位二進制數。

以下是我們即將展開講解的C語言代碼：

#include <stdio.h>
#include <Windows.h>

int main() {
	char a = -20;
	unsigned char b = -20;

	system("pause");
	return 0;
}

1.2 查看變量的內存情況

首先，我們查看一下數據a和b在內存中的情況，這個時候，計算機已經完成了十進制整數到二進制的轉換，內存中存儲的是對應的二進制信息，通常採用十六進制表示。

變量a在內存的情況：

變量b在內存的情況：

如果你不知道如何查看變量地址的話，可以通過C語言中的&a和&b，輸出到控制檯來查看。

我們可以看見，不管是帶符號的變量a還是不帶符號的變量b，將-20賦值給它們，存儲到內存中的，都是十六進制的ec，也就是二進制的11101100。

這裏表明，計算機是先將-20轉換爲11101100，然後再放入變量中的。

我們查看一下【局部變量】：

這裏表明：

a和b的二進制信息是完全一樣的
他們輸出到屏幕的數據類型和十進制數值不一樣的

這是爲什麼呢？

1.3 計算機編碼：從十進制到二進制

我們再看下面的圖

首先，我來解釋一下從通過鍵盤輸入到存儲存儲器的過程

從屏幕鍵入-20，計算機先進行編碼，變成了二進制的11101100
再將二進制信息，存儲了變量a和b中。其中，變量a和b分別是帶符號和不帶符號的char類型數據

這裏有兩個不同顏色的盒子

它們分別代表char類型和unsigned char類型
他們分別被打上了標籤a和b
他們都存入了二進制信息11101100

1.4 計算機譯碼：從二進制到十進制

下面我來講解一下，從二進制信息到輸出十進制的過程。

儘管a和b兩個盒子中的二進制信息完全一樣，但是你要清楚，這只是在計算機世界完全一樣，在人類世界中，二進制信息的含義應該是：二進制信息的含義 = 位 + 上下文，所謂上下文，就是二進制信息所處的環境。

參考學習：《深入理解計算機系統》的1.1節

也就是說【11101100 + 數據類型】，通過這兩個條件，才能正確得到現實世界中，二進制信息的含義，這裏我們將二進制，以十進制形式進行輸出。

對於變量a，以帶符號的十進制形式輸出，因爲它被轉換爲二進制之前，就是帶符號的十進制數。
對於變量b，以無符號的十進制形式輸出，因爲它被轉換爲二進制之前，就是無符號的十進制數。

這裏我們需要強調的是，對於十進制與二進制的相互轉換，大多情況下，是怎麼進去的，就要怎麼回來，除非特殊需求，比如需要將十進制數轉換爲字符輸出，這也是允許的。

1.5 小結

本節我爲你展示了兩個過程

十進制 --> 二進制，這個過程叫編碼
二進制 --> 十進制，這個過程叫譯碼

計算機的外部設備，鼠標、鍵盤、音響和顯示器等等，這些都是從人類世界進入計算機世界的入口。

人類通過這些外部設備輸入信息（十進制數、文字、圖片、視頻、音頻……），由計算機進行編碼，以二進制數的形式進入計算機世界，你也可以理解爲入鄉隨俗。

這些二進制數在計算機的世界裏遨遊，有些二進制數是數據，有些是指令，這些指令是計算機世界的指揮者，他們指揮着數據工作，這些數據可能進行加法工作，可能進行乘法工作……

當這些二進制數，完成了他們的探索使命，就要回到人類世界，這個時候，他們將會通過計算機進行譯碼，恢復他們在人類世界的本來面貌。

你可以想象，一架宇宙飛船，從人類世界，通過蟲洞進入計算機世界，在完成任務後，又通過蟲洞返回人類世界。

2 計算機處理信息的本質：二進制信息的運算

2.1 體驗計算機的二進制運算

我們把上一小節的代碼，再加上一行代碼char c = a + b;

char a = -20;
unsigned char b = -20;
char c = a + b;

我們查看一下內存和局部變量：

可以得知，變量c對應的十六進制是d8，二進制是11011000，又因爲它是char類型，因此二進制信息對應的十進制信息是 -40。

這裏你是不是有疑問？試想，如果是按照十進制進行相加-20 + 236，肯定不等於-40，並且，一個char類型的數和一個unsigned char類型的數據，不同的數據類型相加，又是怎麼進行的呢？

這裏，也就可以談及我們的要點，信息處理的本質，是二進制信息的運算。我們所有的信息，都是先轉換成二進制信息，再進行相關運算，運算結束後再根據其上下文，返回對應的結果。

我們根據這個過程，再來審視一下剛纔的例子：

將a和b的內部是二進制信息，將它們進行加法運算，得到結果
將結果放進容器c中
c中的二進制信息，再由計算機譯碼，轉換爲十進制輸出到屏幕

如果我們將最後一條加法改成unsigned char c = a + b;，c的結果將會是216，具體過程留給讀者思考。

需要注意的是，這裏我舉這個例子，只是爲了說明本文的觀點，事實上，C語言編程中，非常不建議將無符號與有符號數混合運算，因爲那樣得到的結果很可能令人費解，可能也沒有什麼現實含義。

2.2 小結

本小節爲你講述了這些內容：

對於char a = -20;，計算機先將-20以補碼的方式轉換爲二進制信息11101100，在將其放入變量a所對應的內存中。
對於char c = a + b;，計算機會在CPU中，會進行如下過程
1. 將a和b的二進制信息進行加法運算
2. 將得到的結果放進變量c所對應的內存中
3. 再轉換爲十進制顯示到屏幕上

在計算機的世界裏，只有二進制數，這些二進制數，在計算機世界中，按照人類設定的規則不斷地運算，完成任務後，又以原本的身份回到人類世界。

這，就是計算機處理數據的本質，計算機按照人類設定的規則進行二進制運算。

推薦閱讀《編碼:隱匿在計算機軟硬件背後的語言》

3 人類世界向計算機世界的映射：二進制信息運算的原則

計算機是人類發明的工具，是人類智能的延伸，因此，計算機世界的運算法則，要遵從人類世界的運算法則，才能更好地爲人類服務。

例如人類世界中，1+2 = 3，那麼在計算機世界中，0001 + 0010也要等於0011。

無論是加減乘除法，還是其他種種，都有遵循這個原則，這樣人類才能更方便地利用計算機解決現實問題。

因此，二進制數本質上就是現實世界在計算機世界的映射，它具備現實世界的含義。他們之間實現映射的通道是編碼與譯碼。

我給出你一個表格，做個對比，讓你清晰地感受這種映射。

人類世界	計算機世界
領導者	控制器
基層員工	運算器
能源物質	數據

給你解釋一下：

控制器在CPU內，能夠指揮計算機怎樣工作
運算器在CPU內，能夠進行數據的運算
數據在計算機存儲器（內存、硬盤等）中四處遊走

給你推薦一個動畫，能夠讓你清晰感受到：人類是高維生物，而計算機世界是人類創造的一個新的世界，這個世界是人類世界的映射，它爲人類世界工作和服務。

推薦動畫：《瑞克和莫蒂》第二季第六集：電池微世界

4 人類與計算機鬥爭的勝利與妥協

自從計算機被髮明以來，人類與計算機一直在進行着永無休止的鬥爭，不斷進行着碰撞與融合。

計算機是人造的產物，它是人類思維的產物，但是隨着它的不斷髮展，其複雜性成指數級上升，獨立的個體已經很難去控制它，因此，爲了充分利用計算機來爲人類造福，人類又發明了很多方法去控制它，去約束它。

計算機誕生以來，形成了很多的分支領域，也誕生了很多優秀的理論，這些都讓人類能夠更好地控制計算機，爲人類造福，例如軟件工程中的瀑布模型及其衍生模型、敏捷開發方法；又例如當今時代的火熱技術人工智能、大數據；又例如面向未來的量子計算機……

人類在這場沒有硝煙的戰爭中，有勝利，也有妥協。

4.1 人類的勝利

人類在這場戰爭中，充分發揮自身的智能，成功地使用分而治之的哲學思想和邏輯抽象的數學思想，戰勝了複雜的計算機！

4.1.1 分而治之思想的應用

根據本文的核心理念，這裏我只使用文章開始提及的簡單表達式，來爲你講解分而治之思想的實際應用，然後給到你該思想的本質內核。

對於表達式char a = 3;，我們可以將其分開看待：

3轉換爲二進制，看作0011
char看作某種類型的容器
a看作容器的標籤

這樣，你就可以將這個表達式看成：將0011放進貼着標籤a的char類型的容器中。

這個簡單問題，可能沒有讓你感受到複雜問題的簡化，你可以想象一個需要你解決的問題：讓你開發一款操作系統，這個問題足夠複雜，但是其開發過程的各個環節，都滲透着分而治之的思想，我想你應該清楚它的重要性了。

該思想能夠讓複雜性問題簡單化，讓很難被解決的問題得以解決，事實上，人類面對大規模問題，都會採取這樣的思想：軟件工程的分工協作、硬件編程的層次建模……它有大量的應用場景，這個思想對讀者來說，是年金，它每年都會給讀者分紅，時間越久，利息越多。

4.1.2 分而治之思想的本質

Divide et impera ——拉丁語，意爲“分而治之”，引自Machiavelli的一句政治箴言，1532

分而治之的思想本質，就是拆解與轉化：

將大問題拆解爲小問題
將小問題拆解爲更小的問題
將更小地問題轉化已知的被解決過了的問題

Critical thinking（批判性思維）的相關資料指出：所謂創造，就是將已知的產物以全新的方式結合起來。

而分而治之的思想，正是通過問題拆解，轉爲已知，再綜合結果的方式，實現了創造。

如果蛋糕太大一口吃不下，那就先切開它！然後一快一快吃下它！

期待你遇到大規模問題不要驚慌失措，你可以先拆解他、再轉化它、最後綜合起來，幾乎任何問題都可以被解決。

4.1.3 抽象與實現

邏輯抽象是人類智能的體現，它是計算機所不具備的，面對一個複雜的問題，我們可以對其進行不同層次的抽象、建模，這些行爲的進行，可以在人的腦子中，也可以在紙面上，或者在其他工具上。

根據抽象得到的結果，人類再使用計算機這個得力助手去實現它，這樣就能真正地解決現實問題。

計算機領域的抽象與實現，可以是 [數據結構] 的抽象數據類型；可以是 [Verilog HDL] 的層次建模思想；可以是軟件工程的UML建模……

抽象與實現的思想，其實滲透到了人類生活的各個領域，期待你能夠以這樣的方式去重新審視這個世界。

4.2 人類的妥協

人類不會向計算機屈服，但是面對一些挑戰，也不得不做出適當的妥協讓步，這也是爲了更好的應用計算機高效率地解決現實問題。

4.2.1 分析計算機行爲快速搞定bug

當程序沒有按照你預期的結果執行，不要懊惱，不要悲傷，更不要想着：“爲什麼它沒有按照我想的去做？”

這樣的想法，只會讓你更加懊惱和沮喪，你應該想的是：是不是我哪裏沒有描述清楚，所以它沒有做好事情？

你應該做的是：按照程序執行的行爲，使用單步調試/斷點調試，逐一分析，直到找到問題根源。

計算機是個聽話的孩子，它只會按照你告訴它的去執行，因此，如果它出錯了，一定是你指揮失誤，你只需要分析它的每一步行爲，就能夠以最快的速度找到錯誤，解決bug。

這是計算機歷史上，導致計算機崩潰的一隻蟲子（bug），讓我們一起，按照程序的行爲，找到它，消滅它！

4.2.2 大規模項目的分工協作

隨着計算機的不斷髮展，大規模複雜問題開始出現，獨立的個體可以寫出一個小程序，但是面對大規模問題，人類就如同《焦油坑》裏的動物一樣，不斷掙扎，但是越掙扎，反而越痛苦。

直到軟件工程出現，人類開始學會分工協作，共同應對棘手的“焦油坑”，成立了“外科手術隊伍”，具備瞭解決大規模問題的能力。

推薦閱讀：《人月神話》
你將會更加直觀地感受到人類與計算機的鬥爭，比如焦油坑、外科手術隊伍……

5 期待你更好地在計算機世界遨遊

本文從一個最簡單的表達式出發，爲你描述了人類世界與計算機世界的宏大藍圖；給你講述了重要的計算機思維，並將其具象化表達；給你講解了重要的破解複雜問題的方法和適當妥協讓步的策略。

計算機是人類智慧的延伸，是人類得力的工具，是人類的 “外包大腦”，永遠記住，你不是程序員，不要當程序員，你是解決問題的人，你要利用人類特有的智能，這，纔是你與計算機的不同，你能做到計算機做不到的事情，你要充分利用計算機這個得力工具去解決問題，不要被其反噬控制。

期待此文，能夠爲你帶來全新的計算機世界觀，讓你更好地開啓計算機旅程。

聲明：

本文大部分圖片均爲自己製作，一些圖片是我購買的具備個人版權的圖片，還有極少數素材來源於網絡，侵刪。

本文中，部分的類比和比喻，伴有科幻主義色彩，非技術部分的內容可能並非嚴謹的科學事實，請勿惡意揣測，謝謝。

本文涉及的技術，爲了方便你理解，採用了簡化模型，並未展現完整的技術細節，技術細節你可以從我推薦的書籍中學到。

什麼是計算機思維？2個簡單表達式讓你理解！