30秒探索编程简史

引言

马克·斯特德曼

代码是现代社会重要的组成部分之一。每当我们向朋友发送表情符号时，我们都是在通过虚拟线路发送一小段代码（一串字母和数字）。这串字母和数字被称为十六进制代码。它以图片的形式被传送至我们朋友的手机上并被读取。当我们拿起手机与朋友通话时，代码将我们的语音转换为数字数据，这些数据先在一端被编码，接着在另一端被解码。

我们所说的“代码”是一组用特定语言编写的指令。这种语言受多种因素，如我们人类读写这种语言的难易程度、计算机“理解”这种语言的速度、同用这种语言的计算机的数量以及语言特征的影响。编码（或编程）可以是两个数字相加的简单运算，也可以像搭建执行复杂的机器学习任务的大型神经网络一样复杂。代码既可以推动社会大变革，也可以帮助我们在忙碌的一天中节省下几分钟时间。

要成为一名优秀的程序员，并不一定要在数学考试中获得高分。只要具备逻辑思维能力，知道孰先孰后，就能编程。我们也没有必要记住数千条晦涩难懂的指令，因为在记不住编程语言的某个特定部分如何运行时，都可以在网络上搜索一下。

代码并非只能在传统计算机上进行编写。在平板电脑或智能手机上都可以编写代码，有一些软件可以帮助我们学习编程，并即时出成果。本书将介绍计算机编程发展史中的关键事件，讲述从初代计算机到助力微型企业发展成大型企业的现代云基础设施的发展历程。

在人们的刻板印象中，只有那些住在地下室的电脑奇才才会和编程扯上关系。但现如今，编程其实无处不在，比如我们用手机扫描的条形码、防止手机应用程序中的对话信息被窥视的加密方法，处处都有编程的身影。本书旨在开阔读者的视野。不论是想打造下一个风靡全球的应用程序，或者只是想知道为什么重启电脑能解决很多小问题，本书都能助以一臂之力。

本书概览

本书展示了贴近计算机程序员内心深处的理念。在学术界，编程被称作“计算机科学”，但作为一门学科，它并没有那么古老。因此，本书章将用一整章的篇幅来介绍计算机是如何出现的，之后几章才会分别解析如何给计算机下指令。本书会介绍差分机、人脸识别技术等内容，其中每篇文章都分为几个部分。每篇文章的核心内容是30秒探索编程简史，即概念解释。如果你的时间不够充裕，可以看看3秒钟精华，这个部分仅用一两个句子就呈现了文章的精髓，而3分钟扩展则提供了更丰富的背景知识。

次看到死机蓝屏时，你可能会想到一些人，而与计算机技术相关的人其实更多。因此，本书也会介绍许多在编程和计算机创新领域响当当的人物。看看3秒钟人物，你会对许多如今仍在奋斗的计算机权威专家的事迹有所了解，同时你也会读到一些人物传略，那些人物你可能有所耳闻，但他们又不算是计算机极客。 

从日常计算到影响全球经济的复杂程序，我们所做的一切，其背后都有计算机代码的身影。它会影响我们在网上浏览到的信息、网站的外观、网站之间的连接、网络平台的音乐、视频等。每当我们向朋友发送表情符号时，我们都是在通过虚拟线路发送一小段代码(一串字母和数字)。虽然几乎所有事物都与代码紧密相连，但是掌握基础编程语言知识的人却不多。这很可惜，因为编程是打开世界万物的钥匙。了解简单的编程概念，我们便能更好地理解现代世界，也能更好地应对人工智能时代将出现的变革。

本书全彩印刷，图文并茂地解释了该领域的50个发人深省的主题，每个主题，无论多复杂，作者都会用一幅图、两页纸、三四百字，在30秒内向读者进行讲解，体例结果清晰，语言通俗易懂。计算机领域的权威科学家们将向读者展现编程背后的迷人世界，帮助读者了解编程发展简史，并理解算法、脚本、区块链、比特、机器人等一系列核心概念。  

从日常计算到影响全球经济的复杂程序，我们所做的一切，其背后都有计算机代码的身影。它会影响我们在网上浏览到的信息、网站的外观、网站之间的连接、网络平台的音乐、视频等。每当我们向朋友发送表情符号时，我们都是在通过虚拟线路发送一小段代码(一串字母和数字)。虽然几乎所有事物都与代码紧密相连，但是掌握基础编程语言知识的人却不多。这很可惜，因为编程是打开世界万物的钥匙。了解简单的编程概念，我们便能更好地理解现代世界，也能更好地应对人工智能时代将出现的变革。

本书全彩印刷，图文并茂地解释了该领域的50个发人深省的主题，每个主题，无论多复杂，作者都会用一幅图、两页纸、三四百字，在30秒内向读者进行讲解，体例结果清晰，语言通俗易懂。计算机领域的权威科学家们将向读者展现编程背后的迷人世界，帮助读者了解编程发展简史，并理解算法、脚本、区块链、比特、机器人等一系列核心概念。 

马克·斯特德曼（Mark Steadman）是全球知名播客平台Podiant的创始人，也是一名跨越科技和播客领域的数字创意工程师。在自主创业之前，他曾在Substrakt等诸多互联网领域知名企业担任开发人员及技术总监长达20余年。BBC曾报道了他以《银河系漫游指南》为主题推出的播客节目。

6.引言

10.初代计算机

12.术语

14.工业革命

16.差分机

18.埃达·洛夫莱斯

20.计算员

22.特定任务计算机

24.机械计算机

26.破译员

28.指令集和存储程序

30.读取—执行周期

32.晶体管革命

34.个人计算机时代

36.指令计算机

38.术语

40.汇编语言

42.Fortran：种高级语言

44.格雷斯·霍珀

46.过程语言

48.编译代码

50.面向对象程序设计

52.代码库

54.在云端运行代码

56.代码概念

58.术语

60.二进制与位

62.数据类型

64.莱纳斯·托瓦尔兹

66.数据结构：数组

68.变量

70.if-then-else：条件语句

72.循环与迭代

74.史蒂夫·沃兹尼亚克

76.函数

78.让代码具有可移植性

80.缓冲与缓存

82.终一致性

84.程序员的工作

86.术语

88.用户界面与用户体验

90.蒂姆·伯纳斯-李

92.数据库运行：CRUD操作

94.Web开发

96.脚本

98.工程

100.敏捷开发与Scrum

102.安全侵入

104.调试

106.比例变换与伪代码

108.用代码解决问题

110.术语

112.算法

114.FizzBuzz测试

116.排序与大O符号

118.两军问题

120.压缩与赫夫曼树

122.搜索引擎优化

124.人脸识别

126.统一码

128.端到端加密

130.模式匹配语言

132.拉里·佩奇

134.热点与概念

136.术语

138.AI: 人工智能

140.黑盒

142.计算机不能确定真相

144.区块链

146.检测机器人程序

148.集成开发环境

150.艾伦·图灵

152.附录

154.参考资源

155.编者简介

157.致谢 

从日常计算到影响全球经济的复杂程序，我们所做的一切，其背后都有计算机代码的身影。它会影响我们在网上浏览到的信息、网站的外观、网站之间的连接、网络平台的音乐、视频等。每当我们向朋友发送表情符号时，我们都是在通过虚拟线路发送一小段代码(一串字母和数字)。虽然几乎所有事物都与代码紧密相连，但是掌握基础编程语言知识的人却不多。这很可惜，因为编程是打开世界万物的钥匙。了解简单的编程概念，我们便能更好地理解现代世界，也能更好地应对人工智能时代将出现的变革。

本书全彩印刷，图文并茂地解释了该领域的50个发人深省的主题，每个主题，无论多复杂，作者都会用一幅图、两页纸、三四百字，在30秒内向读者进行讲解，体例结果清晰，语言通俗易懂。计算机领域的权威科学家们将向读者展现编程背后的迷人世界，帮助读者了解编程发展简史，并理解算法、脚本、区块链、比特、机器人等一系列核心概念。  

马克·斯特德曼（Mark Steadman）是全球知名播客平台Podiant的创始人，也是一名跨越科技和播客领域的数字创意工程师。在自主创业之前，他曾在Substrakt等诸多互联网领域知名企业担任开发人员及技术总监长达20余年。BBC曾报道了他以《银河系漫游指南》为主题推出的播客节目。

工业革命

一想到计算机编程，一个凌乱邋遢或如醉如痴的人蜷缩在计算机前的画面很快就会浮现在我们的脑海中。在我们还没有意识到这其实并不能客观地反映这一群体的众生相之前，我们就应该认识到，编程的概念早在闪闪发光的小屏幕或标准键盘让我们有了这样一种刻板印象之前就已经存在了（这一认识也很重要）。事实上，早在工业革命时期，人类就开创了用机器处理重复性任务的先河。纺织业是工业革命的起点。1750年，英国进口了约1100吨棉花用于纺纱，到1800年，这一数字已增至24000吨，而且还在迅速攀升。这关键得益于固定式蒸汽机的出现，固定式蒸汽机为大型工厂或“纱厂”提供动力，使其能加工来自美洲殖民地的源源不断的棉花。英国快速工业化，率先成了世界强国，拿破仑自然不会对此视若无睹。里昂纺织业方兴未艾，彼时约瑟夫-马里·雅卡尔正在里昂研究与织布机有关的发明，自然得到了这位法国统治者的热情支持。1801年，雅卡尔发明了雅卡尔提花机，该机器的特点是利用穿孔卡片自动编织带有图案的丝绸，这使得法国在该领域遥遥领先。雅卡尔提花机成了法国的国家财产；10年后，法国已装配了11000台雅卡尔提花机。

计算员

在如今的21世纪，“computer”一词已有了既定含义，但数学方程的求解或计算甚至早于查尔斯·巴贝奇的机械计算机存在。直到1946年，我们现在所知道的“computer”一词的含义才出现在词典之中。早在17世纪初，作家托马斯·布朗（Thomas Browne）爵士就用这个词来指代那些将儒略历日期转换为公历日期并重新进行计算的人。在数字计算机出现之前，计算由大型团队负责。其中著名的是加利福尼亚州喷气推进实验室，该实验室由加州理工学院的一些学生（和火箭爱好者）于20世纪30年代中期建立，后来成了美国国家航空航天局的重要部门。第二次世界大战期间，喷气推进实验室团队的工作是进行日常计算，如计算还需多少火箭助推器才能助力飞往日本的轰炸机升空。随着阿波罗太空计划的开展，计算量变得更大，位女性计算员芭芭拉·“巴比”·坎赖特也参与其中。其中一些女性，如海伦·林（Helen Ling）荣升为主管。当时还没有“休产假”一说，据说正是她们承诺了女性计算员在怀孕之后仍可重返工作岗位。尽管这些女性计算员成就显著，但她们仍然只能在更出名的任务控制中心旁边的地方工作。

破译员

1938年，英国政府意识到英德两国之间的冲突将无法避免。于是，英国政府将政府代码及加密学校迁至布莱切利园。德国使用恩尼格玛密码传递加密情报，这些情报被称作“超级”情报。破译恩尼格玛密码堪称提前几年结束战争、拯救1400万条生命的关键。恩尼格玛密码机是带有转子的机械设备。每在密文中输入一个新的字母，转子的位置就会变动。这些机械设备每天都会重置，因此加速破解加密设置至关重要，有助于破译密文。这促使破译团队——特别是艾伦·图灵和戈登·韦尔什曼（Gordon.Welchman）通过研发机电设备解决问题。他们研发的台设备是炸弹机，主要由制表机组件制成。后来，为了破译洛伦兹密码机，他们研发了可编程的巨人计算机，该计算机使用热离子管代替了不稳定的送纸装置。破译团队在布莱切利园所取得的成就被列为绝密，50年后才得到英国政府的承认。众所周知，巨人计算机破译了德军情报，让美国将军德怀特·艾森豪威尔知道，希特勒以为盟军为诺曼底登陆日所做的准备只是虚张声势，于是艾森豪威尔决定继续推进诺曼底登陆行动。

读取—执行周期

读取—执行周期是计算机执行基本计算步骤（如图灵指令手册中的一行）的过程。编程的本质是将正确的读取—执行周期按序排列。“读取—执行”是“收到并完成”的花式表达方式。你之前一定在计算机上看到过“可执行文件”（后缀为“.exe”的文件）这一术语。总而言之，一个可执行文件就是图灵所说的指令手册。有人可能会认为，如果进一步细分，“读取—解码周期”才能更准确地描述这一过程，因为这一过程始于下一条指令（在计算机内存中）的地址。读取—执行周期的首个步骤是获取地址并将其复制到现行指令寄存器中。只有在这一步骤完成之后，程序计数器（内部时钟）的值才会前进一步，指令也才会得到执行。这涉及通过控制总线将信号从处理器传送至内存或其他组件的过程。这个过程一直在处理器内核中进行，由时钟速度衡量。计算机运行速度越快，周期就越多。这也解释了为什么关闭电源能够有效地重启计算机，因为脉冲信号都是电流。切断脉冲信号就是停止系统“血液”（包括流向实时内存的“血液”）的流动。

个人计算机时代

晶体管出现之后，科学家们又将晶体管集成至微芯片（内含数百万个晶体管的单个组件）中，为大规模生产计算机提供了廉价原料。但是，还有一个大问题尚未解决：兼容性。20世纪80年代，你选择的计算机在很大程度上影响着你能使用什么样的软件。Acorn这家英国小公司就是一个典型的例子。1979年到1997年，该公司使用不一样的组件建立了几个不同的计算机系统，其中有些组件由该公司自行设计。不同的计算机有着不同的目标市场（娱乐、商业、教育和家居等），它们的处理器不同代，用于存储数据的磁盘或磁带也有着不同的内存。尽管进行了这么多的创新，Acorn也只是一家刚刚走出本土市场的公司，也远不是的一家。1984年，人们对家用电脑的需求达到高峰，但雅达利公司、康懋达国际公司、苹果公司等知名公司的产品充斥市场，以至于没有一家公司能够销售足够多的产品以创造一个可持续的软件市场。与此同时，商业领域正在标准化磁盘操作系统（DOS），后来微软的Windows操作系统得到了广泛使用。企业的营销行为或许别有用心，但这也带来了一个价格合理的占主导地位的计算平台。

汇编语言

代码是计算机的指令。然而，人类语言与计算机语言不同。计算机的中央处理器接收二进制指令或机器代码：0和1。不同的处理器家族无法通用一种机器代码：每种类型的中央处理器（例如Intel处理器或ARM处理器）都有自己特定的硬件和体系结构，并且只认识相应的机器代码。人类也很难直接使用机器代码。汇编语言解决了这一问题，使得我们人类能够编写可读性更强的指令，这些指令与处理器本身理解的指令如出一辙。我们使用助记符编写汇编语言中的一系列语句。每个语句都由一个操作码和一个操作数组成。操作码指定处理器应执行的一个操作，如定义一个变量。操作数通常是十六进制数，能显示处理器存储数据的位置或为处理器提供执行指令所需存储的数据。计算机可以通过汇编器将汇编代码直接转换成机器代码。一旦转换完成，计算机就能够重复运行机器代码，而无须重新进行汇编。 

这本书对编程初学者来说很有用，便于初学者快速了解相关概念，图书体例清晰，可做延伸阅读，是非常不错的入门科普书。

——美国电商评论