Python 程序基础

计算机组成原理

计算机组成

计算机硬件通常由以下几部分组成：

中央处理器（CPU）：负责执行计算机指令，完成各种计算和逻辑操作。
存储器（Memory）：用于存储计算机执行程序所需的数据和指令，包括主存（Random Access Memory，RAM）和辅助存储器（如硬盘、光盘等）。
输入设备：用于向计算机输入数据和指令，如键盘、鼠标、扫描仪等。
输出设备：用于将计算机处理结果显示或打印出来，如显示器、打印机等。
总线：用于连接计算机各个部分，包括数据总线、地址总线和控制总线等。

在这里插入图片描述

存储器对比

磁盘（Disk）

磁盘是计算机中最慢的存储器之一，读取速度比内存慢很多。由于磁盘通常用于永久存储数据，每秒钟可以完成的读取操作数量通常在几百到几千之间。

在这里插入图片描述

内存（Memory）

内存的读取速度比寄存器慢，但是比磁盘快很多。由于内存的容量较大，每秒钟可以完成的读取操作数量通常在数百万到数千万之间。

在这里插入图片描述

寄存器（Register）

寄存器是CPU内部最快的存储器，读取速度非常快，通常是其他存储器读取速度的几百倍。由于寄存器的大小有限，只能存储极少量的数据，因此每秒钟可以完成的读取操作数量非常多，可能在数十亿次到数百亿次之间。

在这里插入图片描述

总结：

读取速度：寄存器 > 内存 > 磁盘（外存）【速度差值在100倍左右】

数据调度方向：

编程语言

在这里插入图片描述

编程语言的发展历程

机器语言（1930-1960s）

机器语言阶段：计算机发明初期，程序员需要使用二进制码来编写程序，这些二进制码被称为机器语言。

机器语言非常难以记忆和理解，难以维护和调试，因此随着计算机技术的发展，人们开始探索更高级的编程语言。

汇编语言（第一个汇编语言1947 伦敦大学）

对于人类来说，二进制程序是不可读的，根本看不出来机器干了什么。为了解决可读性的问题，以及偶尔的编辑需求，就诞生了汇编语言。

汇编语言阶段：为了简化机器语言的编写，人们发明了汇编语言，它使用符号代替了二进制码。汇编语言虽然比机器语言更易于理解和编写，但仍然需要程序员对计算机硬件有深入的了解，难以编写大型程序。

我们知道，CPU 只负责计算，本身不具备智能。

输入一条指令（instruction），它就运行一次，然后停下来，等待下一条指令。这些指令都是二进制的，称为操作码（opcode），比如加法指令就是00000011。

汇编语言诞生后，相较于机器语言就多出一个步骤，即把这些文字指令翻译成二进制，这个步骤就称为 assembling，完成这个步骤的程序就叫做 assembler。它处理的文本，自然就叫做 aseembly code。标准化以后，称为 assembly language，缩写为 asm，中文译为汇编语言。

现代高级语言

1972 C语言
1980 C++
1991 Python/VB
1994 Java
1995 PHP/JavaScript

高级语言阶段，高级语言提供了更加抽象和易于理解的语法，使得编写程序变得更加简单和高效。随着计算机硬件的发展，高级语言的应用越来越广泛，例如C、C++、Java、Python、JavaScript等。

实例

实现1+1：

机器语言实现：

00011010 00000001      // 将1加载到寄存器A中
00011010 00000001      // 再将1加载到寄存器B中
00000100 00001000      // 将寄存器A中的值与寄存器B中的值相加，并将结果保存到寄存器A中

在这个示例中，第一条指令将数字1加载到寄存器A中，第二条指令将数字1加载到寄存器B中，第三条指令将寄存器A和B中的值相加，并将结果保存到寄存器A中。

汇编语言实现：

mov ah, 1
add ah, 1

在这个示例中，使用MOV指令将数字1移动到AH寄存器中，然后使用ADD指令将数字1加到AH寄存器中。最终，AH寄存器中的值为2。

C语言实现:

int c = 1 + 1;

代码复杂度、易用性比较

在这里插入图片描述

问题：

编写一个程序，读取一个文件中的文本内容，并统计其中每个单词出现的频率。

Python实现：

import re

with open('example.txt', 'r') as f:
    text = f.read()

words = re.findall(r'\b\w+\b', text.lower())
freq = {}
for word in words:
    freq[word] = freq.get(word, 0) + 1
    
for word, count in freq.items():
    print(f'{word}: {count}')

C语言实现：

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>

#define MAXLEN 1000

int main(){
    FILE* fp;
    char line[MAXLEN];
    char* word;
    int freq[MAXLEN] = {0};

    fp = fopen("example.txt", "r");
    if (fp == NULL)
    {
        printf("无法打开文件\n");
        return 1;
    }
    while (fgets(line, MAXLEN, fp) != NULL)
    {
        word = strtok(line, " \t\r\n");
        while (word != NULL)
        {
            for (int i = 0; word[i] != "\0"; i++)
            {
                word[i] = tolower(word[i]);
            }
            freq[word]++;
            word = strtok(NULL, " \t\r\n");
        }
    }

    for (int i = 0; i < MAXLEN; i++)
    {
        if (freq[i] > 0)
        {
            printf("%s: %d\n", i, freq[i]);
        }
    }
    
    fclose(fp);
    return 0;
}