小轩砌站 - 计算机基础知识分享

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计算机基本组成

计算机由硬件系统和软件系统协同工作，核心硬件决定运算能力，软件赋予硬件实际功能：

  • CPU：制程工艺影响性能，主流有Intel/AMD两大厂商
  • 内存：DDR4/DDR5为当前主流，频率越高读写速度越快
  • 硬盘：SSD（固态硬盘）比HDD（机械硬盘）速度快10倍以上
  • 主板：决定硬件兼容性，分ATX/M-ATX/ITX等版型
  • 显卡：集成显卡满足日常使用，独立显卡适合游戏/设计

常见编程语言

不同编程语言有明确的应用领域，选择合适的语言能提升开发效率：

  • Python：生态丰富，第三方库超10万个，入门门槛低
  • Java：企业级开发首选，Spring框架占后端开发70%以上
  • JavaScript：前端必备，ES6+语法大幅提升开发体验
  • C/C++：底层开发核心，Linux内核基于C语言开发
  • Go语言：谷歌开发，高并发特性适合云原生开发

计算机网络基础

网络是数据传输的基础，理解核心协议能解决日常网络问题：

  • IP地址：私网IP（192.168/172.16/10段）无法直接访问公网
  • 端口：8080/8000为常用自定义Web服务端口
  • HTTP：1.1版本支持长连接，2.0支持多路复用
  • DNS：本地缓存可通过ipconfig/flushdns刷新
  • 路由器：NAT技术实现多设备共享公网IP

主流操作系统

操作系统管理硬件资源，不同系统适配不同使用场景：

  • Windows：支持exe格式，注册表是系统核心配置库
  • macOS：基于Unix，访达（Finder）是文件管理核心
  • Linux：CentOS停更后，Rocky Linux/AlmaLinux成替代
  • Android：基于Linux内核，APK是应用安装包格式
  • iOS：沙盒机制保障应用安全，无法随意安装第三方应用

数据结构基础

数据结构是程序的基础，合理选择能大幅提升程序效率：

  • 数组：随机访问快，插入删除慢，适合固定长度数据
  • 链表：插入删除快，访问慢，适合频繁修改的数据
  • 栈：先进后出，用于表达式求值、函数调用栈
  • 队列：先进先出，用于任务排队、消息队列
  • 哈希表：平均O(1)查询效率，用于缓存、字典

数据库基础

数据库是数据存储的核心，分关系型和非关系型两大类：

  • MySQL：开源关系型数据库，Web开发使用率超80%
  • Redis：内存数据库，常用于缓存、计数器、分布式锁
  • MongoDB：文档型数据库，适合存储非结构化数据
  • SQL：结构化查询语言，CRUD是核心操作
  • 索引：B+树索引是数据库默认索引类型，提升查询速度

计算机基本组成

一、硬件系统（五大核心部件）

1. 运算器（ALU）

运算器是CPU的核心模块，负责执行算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与、或、非、异或），运算速度由CPU主频和核心数决定。例如，酷睿i7-13700K拥有16核心（8性能核+8能效核），主频最高5.4GHz，能同时处理大量运算任务。

2. 控制器

控制器负责协调计算机各部件工作，通过读取内存中的指令，解析后向其他部件发送控制信号。指令周期分为取指、译码、执行、写回四个阶段，流水线技术可让CPU同时处理多个指令阶段，提升执行效率。

3. 存储器

存储器分为内存和外存：

4. 输入设备

输入设备将外部信息转换为计算机能识别的电信号，除了常见的键盘、鼠标，还包括扫描仪（分辨率单位DPI）、摄像头（帧率单位FPS）、麦克风（采样率单位kHz）等，不同设备有不同的接口类型（USB、Type-C、HDMI）。

5. 输出设备

输出设备将计算机处理结果转换为人类可识别的形式，显示器的核心参数包括分辨率（如2K/4K）、刷新率（60Hz/144Hz）、色域（sRGB/Adobe RGB）；打印机分喷墨（适合彩色）和激光（适合黑白），打印速度以PPM（页/分钟）为单位。

二、软件系统

1. 系统软件

系统软件是计算机运行的基础，包括：

2. 应用软件

应用软件满足特定使用需求，按领域可分为：办公软件（Office/WPS）、设计软件（PS/AI/CAD）、开发软件（VS Code/IDEA）、娱乐软件（游戏/视频播放器）等，不同软件依赖不同的运行环境（如.NET Framework、Java Runtime）。

三、硬件与软件的关系

硬件是软件运行的物理基础，软件赋予硬件具体功能。例如，没有操作系统的计算机（裸机）无法直接使用，而没有硬件的软件只是一堆代码，无法执行。硬件性能决定软件运行效率，如高性能显卡能流畅运行3A游戏，低性能显卡则会卡顿。

常见编程语言

一、脚本语言/解释型语言

1. Python

Python由Guido van Rossum于1991年发布，设计哲学是“优雅、明确、简单”，强制使用缩进划分代码块，避免了大括号的混乱。其核心优势在于丰富的第三方库：

Python的缺点是运行速度较慢，可通过Cython、Numba等工具提升性能，或使用CPython之外的解释器（如PyPy）。

2. JavaScript

JavaScript是前端开发的唯一语言，由Brendan Eich在1995年仅用10天开发完成，最初名为LiveScript。ES6（2015）为其带来了质的提升，新增箭头函数、类、模块化、Promise等特性：

二、编译型语言

1. Java

Java由Sun公司（后被Oracle收购）于1995年发布，核心特性是“一次编写，到处运行”，通过JVM（Java虚拟机）实现跨平台。Java的垃圾回收机制（GC）自动管理内存，减少内存泄漏问题：

2. C/C++

C语言由Dennis Ritchie于1972年在贝尔实验室开发，是结构化编程语言的代表，Linux内核、MySQL、Redis等核心软件均基于C语言开发。C++由Bjarne Stroustrup在C基础上扩展，增加了面向对象、泛型编程等特性：

三、其他常用语言

1. Go语言

Go语言由谷歌在2009年发布，专为多核时代设计，内置协程（Goroutine）支持高并发，内存占用远低于线程，适合云原生、微服务、区块链开发，Docker、Kubernetes均基于Go开发。

2. 标记语言（HTML/CSS）

HTML负责网页结构，通过标签定义内容（如<h1>标题、<p>段落、<img>图片）；CSS负责样式，可通过选择器精准控制元素样式，Flex/Grid布局是现代网页布局的核心。

计算机网络基础

一、IP地址体系

1. IPv4

IPv4由32位二进制数组成，通常转换为4个0-255的十进制数（点分十进制），如192.168.1.1。IPv4地址分为五类：

私网IP范围：10.0.0.0-10.255.255.255、172.16.0.0-172.31.255.255、192.168.0.0-192.168.255.255，这些IP无法直接被公网访问，需通过NAT转换。

2. IPv6

IPv6由128位二进制数组成，分为8组4位十六进制数，如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334（可省略前导零，连续零段用::代替，如2001:db8:85a3::8a2e:370:7334）。IPv6解决了IPv4地址耗尽问题，全球每个设备可分配唯一公网IP，无需NAT转换，提升网络安全性和访问效率。

二、端口与服务

端口是应用层与传输层的接口，TCP/UDP协议通过端口区分不同服务，范围0-65535：

可通过netstat/telnet命令检测端口是否开放，如telnet 127.0.0.1 80可检测本地80端口是否开放。

三、核心网络协议

1. HTTP/HTTPS

HTTP是无状态的应用层协议，基于TCP传输，请求-响应模式：

HTTPS = HTTP + SSL/TLS，通过数字证书验证服务器身份，数据传输加密（对称加密+非对称加密），防止中间人攻击，Chrome/Firefox等浏览器已默认优先使用HTTPS。

2. DNS协议

DNS（域名系统）将域名（如xx7z.com）转换为IP地址，采用分层结构：根服务器→顶级域服务器（.com/.cn）→权威服务器→本地DNS服务器。本地DNS缓存有效期由TTL（生存时间）决定，可通过nslookup/dig命令查询域名解析结果，如nslookup xx7z.com。

四、网络设备与技术

1. 路由器

路由器工作在网络层，核心功能是路由选择（通过路由表）和数据转发，支持静态路由/动态路由（RIP/OSPF/BGP）。家用路由器内置NAT功能，将私网IP转换为公网IP，实现多设备共享上网；同时支持DHCP（自动分配IP）、WiFi（802.11a/b/g/n/ac/ax）、防火墙等功能。

2. 交换机

交换机工作在数据链路层，基于MAC地址转发数据，分为二层交换机（接入层）和三层交换机（核心层，支持IP转发），相比集线器（HUB），交换机避免了数据冲突，提升网络带宽利用率。

主流操作系统

一、桌面操作系统

1. Windows

Windows是微软开发的闭源操作系统，市场占有率超70%，最新版本为Windows 11：

2. macOS

macOS是苹果基于Unix开发的闭源系统，仅运行在Mac硬件上，最新版本为macOS Sonoma：

3. Linux

Linux是开源类Unix系统，内核由Linus Torvalds维护，发行版超300种：

Linux占服务器市场超90%，阿里云/腾讯云等云服务器默认使用Linux系统。

二、移动端操作系统

1. Android

Android由Google主导，基于Linux内核的开源系统，市场占有率超85%：

2. iOS

iOS是苹果闭源移动端系统，仅运行在iPhone/iPad上：

三、操作系统核心功能

无论何种操作系统，核心功能均围绕硬件资源管理：

数据结构基础

一、线性结构

1. 数组

数组是连续的内存空间，存储相同类型数据，核心特性：

数组扩容通常按1.5/2倍扩容，如Java ArrayList初始容量10，扩容后15/20，避免频繁扩容影响性能。

2. 链表

链表由节点组成，每个节点包含数据和指针（指向下一节点），核心特性：

链表缺点是内存占用比数组高（需存储指针），且不支持随机访问。

3. 栈与队列

栈（Stack）是先进后出（FILO）结构，队列（Queue）是先进先出（FIFO）结构：

二、非线性结构

1. 哈希表

哈希表（散列表）通过哈希函数将键映射到数组下标，核心特性：

Java HashMap默认加载因子0.75，数组长度超过75%时扩容，减少哈希冲突。

2. 树结构

树是分层结构，根节点→子节点，核心类型：

树的遍历方式：前序（根-左-右）、中序（左-根-右）、后序（左-右-根）、层序（按层遍历）。

三、数据结构选择原则

选择数据结构需结合使用场景：

数据结构是算法的基础，如排序算法（快速排序/归并排序）依赖数组，最短路径算法（Dijkstra）依赖优先级队列。

数据库基础

一、数据库分类

1. 关系型数据库（RDBMS）

关系型数据库基于关系模型（二维表），支持SQL，ACID事务特性：

MySQL默认存储引擎InnoDB支持事务和行级锁，MyISAM不支持事务但查询速度快（已逐步淘汰）。

2. 非关系型数据库（NoSQL）

非关系型数据库不遵循关系模型，灵活存储非结构化数据：

NoSQL优势：高并发、易扩容、灵活存储；缺点：不支持复杂JOIN、事务支持弱。

二、SQL核心操作

SQL（结构化查询语言）是关系型数据库的标准语言，核心操作CRUD：

示例：查询用户表中年龄大于18的用户，按注册时间排序：
SELECT id, name, age FROM user WHERE age > 18 ORDER BY create_time DESC LIMIT 10;

三、数据库性能优化

1. 索引

索引是提升查询速度的核心，底层为B+树（MySQL）/哈希表：

2. 其他优化

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作者在初学计算机知识时，发现很多入门资料要么过于浅显，缺乏系统框架；要么过于专业，新手难以理解。因此希望搭建一个“中间态”的知识平台：

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