程序 = 算法 + 數據結構
對應到計算機的組成原理(硬件層面)
- 算法 --- 各種計算機指令
- 數據結構 --- 二進制數據
計算機用0/1組成的二進制，來表示所有信息
- 程序指令用到的機器碼，是使用二進制表示的
- 存儲在內存裡面的字符串、整數、浮點數也都是用二進制表示的
萬物在計算機里都是0和1，搞清楚各種數據在二進制層面是怎麼表示的，是我們的必修課。
在實際應用中最常遇到的問題，也就是文本字符串是怎麼表示成二進制的，特別是我們會遇到的亂碼究竟是怎麼回事兒
在開發的時候，所說的Unicode和UTF-8之間有什麼關係。
理解了這些，相信以後遇到任何亂碼問題，你都能手到擒來了。
1 理解二進制的“逢二進一”
二進制和我們平時用的十進制，並沒有本質區別，只是平時是“逢十進一”，這裡變成了“逢二進一”
每一位，相比於十進制下的0～9這十個數字，我們只能用0和1這兩個數字。
任何一個十進制的整數，都能通過二進制表示出來
把一個二進制數，對應到十進制，非常簡單，就是把從右到左的第N位，乘上一個2的N次方，然後加起來，就變成了一個十進制數
當然，既然二進制是一個面向程序員的“語言”，這個從右到左的位置，自然是從0開始的。
比如0011這個二進制數，對應的十進制表示，就是
$0×2^3+0×2^2+1×2^1+1×2^0$
$=3$
代表十進制的3
對應地，如果我們想要把一個十進制的數，轉化成二進制，使用短除法就可以了
也就是，把十進制數除以2的餘數，作為最右邊的一位。然後用商繼續除以2，把對應的餘數緊靠着剛才餘數的右側，這樣遞歸迭代，直到商為0就可以了。
- 比如，我們想把13這個十進制數，用短除法轉化成二進制，需要經歷以下幾個步驟：
- 因此，對應的二進制數，就是1101
剛才我們舉的例子都是正數，對於負數來說，情況也是一樣的嗎？
我們可以把一個數最左側的一位，當成是對應的正負號，比如0為正數，1為負數，這樣來進行標記。
這樣，一個4位的二進制數， 0011就表示為+3。而1011最左側的第一位是1，所以它就表示-3。這個其實就是整數的原碼錶示法
原碼錶示法有一個很直觀的缺點就是，0可以用兩個不同的編碼來表示，1000代表0， 0000也代表0。習慣萬事一一對應的程序員看到這種情況，必然會被“逼死”。
於是，我們就有了另一種表示方法。我們仍然通過最左側第一位的0和1，來判斷這個數的正負。但是，我們不再把這一位當成單獨的符號位，在剩下幾位計算出的十進制前加上正負號，而是在計算整個二進制值的時候，在左側最高位前面加個負號。
比如，一個4位的二進制補碼數值1011，轉換成十進制，就是
$-1×2^3+0×2^2+1×2^1+1×2^0$
$=-5$
如果最高位是1，這個數必然是負數；最高位是0，必然是正數。並且，只有0000表示0，1000在這樣的情況下表示-8。一個4位的二進制數，可以表示從-8到7這16個整數，不會白白浪費一位。
當然更重要的一點是，用補碼來表示負數，使得我們的整數相加變得很容易，不需要做任何特殊處理，只是把它當成普通的二進制相加，就能得到正確的結果。
我們簡單一點，拿一個4位的整數來算一下，比如 -5 + 4 = -1，-5 + 6 = 1
我們各自把它們轉換成二進制來看一看。如果它們和無符號的二進制整數的加法用的是同樣的計算方式，這也就意味着它們是同樣的電路。
2 字符串的表示，從編碼到數字
不僅數值可以用二進制表示，字符乃至更多的信息都能用二進制表示
最典型的例子就是字符串（Character String）
最早計算機只需要使用英文字符，加上數字和一些特殊符號，然後用8位的二進制，就能表示我們日常需要的所有字符了，這個就是我們常常說的ASCII碼（American Standard Code for Information Interchange，美國信息交換標準代碼）
ASCII碼就好比一個字典，用8位二進制中的128個不同的數，映射到128個不同的字符里
比如，小寫字母a在ASCII裡面，就是第97個，也就是二進制的0110 0001，對應的十六進制表示就是 61。而大寫字母 A，就是第65個，也就是二進制的0100 0001，對應的十六進制表示就是41。
在ASCII碼裡面，數字9不再像整數表示法里一樣，用0000 1001來表示，而是用0011 1001 來表示。字符串15也不是用0000 1111 這8位來表示，而是變成兩個字符1和5連續放在一起，也就是 0011 0001 和 0011 0101，需要用兩個8位來表示。
我們可以看到，最大的32位整數，就是2147483647。如果用整數表示法，只需要32位就能表示了。但是如果用字符串來表示，一共有10個字符，每個字符用8位的話，需要整整80位。比起整數表示法，要多佔很多空間。
這也是為什麼，很多時候我們在存儲數據的時候，要採用二進制序列化這樣的方式，而不是簡單地把數據通過CSV或者JSON，這樣的文本格式存儲來進行序列化。不管是整數也好，浮點數也好，採用二進制序列化會比存儲文本省下不少空間。
ASCII碼只表示了128個字符，一開始倒也堪用，畢竟計算機是在美國發明的
然而隨着越來越多的不同國家的人都用上了計算機，想要表示譬如中文這樣的文字，128個字符顯然是不太夠用的。於是，計算機工程師們開始各顯神通，給自己國家的語言創建了對應的字符集（Charset）和字符編碼（Character Encoding）
字符集
表示的可以是字符的一個集合
比如“中文”就是一個字符集，不過這樣描述一個字符集並不準確
想要更精確一點，我們可以說，“第一版《新華字典》裡面出現的所有漢字”，這是一個字符集。這樣，我們才能明確知道，一個字符在不在這個集合裡面
比如，我們日常說的Unicode，其實就是一個字符集，包含了150種語言的14萬個不同的字符。
字符編碼
則是對於字符集里的這些字符，怎麼一一用二進制表示出來的一個字典
我們上面說的Unicode，就可以用UTF-8、UTF-16，乃至UTF-32來進行編碼，存儲成二進制。所以，有了Unicode，其實我們可以用不止UTF-8一種編碼形式，我們也可以自己發明一套 GT-32 編碼，比如就叫作Geek Time 32好了。只要別人知道這套編碼規則，就可以正常傳輸、顯示這段代碼。
同樣的文本，採用不同的編碼存儲下來。如果另外一個程序，用一種不同的編碼方式來進行解碼和展示，就會出現亂碼。這就好像兩個軍隊用密語通信，如果用錯了密碼本，那看到的消息就會不知所云。在中文世界裡，最典型的就是“手持兩把錕斤拷，口中疾呼燙燙燙”的典故。
沒有經驗的同學，在看到程序輸出“燙燙燙”的時候，以為是程序讓CPU過熱發出報警，於是嘗試給CPU降頻來解決問題。
既然今天要徹底搞清楚編碼知識，我們就來弄清楚“錕斤拷”和“燙燙燙”的來龍去脈。
“錕斤拷”的來源
如果我們想要用Unicode編碼記錄一些文本，特別是一些遺留的老字符集內的文本，但是這些字符在Unicode中可能並不存在。於是，Unicode會統一把這些字符記錄為U+FFFD這個編碼
如果用UTF-8的格式存儲下來，就是\\xef\\xbf\\xbd。如果連續兩個這樣的字符放在一起，\\xef\\xbf\\xbd\\xef\\xbf\\xbd，這個時候，如果程序把這個字符，用GB2312的方式進行decode，就會變成“錕斤拷”。這就好比我們用GB2312這本密碼本，去解密別人用UTF-8加密的信息，自然沒辦法讀出有用的信息。
而“燙燙燙”，則是因為如果你用了Visual Studio的調試器，默認使用MBCS字符集
“燙”在裡面是由0xCCCC來表示的，而0xCC又恰好是未初始化的內存的賦值。於是，在讀到沒有賦值的內存地址或者變量的時候，電腦就開始大叫“燙燙燙”了。
3 總結延伸
到這裡，相信你發現，我們可以用二進制編碼的方式，表示任意的信息。只要建立起字符集和字符編碼，並且得到大家的認同，我們就可以在計算機裡面表示這樣的信息了。所以說，如果你有心，要發明一門自己的克林貢語並不是什麼難事。
不過，光是明白怎麼把數值和字符在邏輯層面用二進制表示是不夠的。我們在計算機組成裡面，關心的不只是數值和字符的邏輯表示，更要弄明白，在硬件層面，這些數值和我們一直提的晶體管和電路有什麼關係。下一講，我就會為你揭開神秘的面紗。我會從時鐘和D觸發器講起，最終讓你明白，計算機里的加法，是如何通過電路來實現的。
4 推薦閱讀
- 《編碼：隱匿在計算機軟硬件背後的語言》
- 從電報機到計算機，這本書講述了很多計算設備的歷史故事，當然，也包含了二進制及其背後對應的電路原理。
參考
- 深入淺出計算機組成原理
