计算机基础——更适合程序员的编程必备基础知识（完结）

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一、计算机组成原理与体系结构

  1. 冯诺依曼体系核心机制
  2. 存储程序原理：程序与数据统一存储于内存，CPU通过指令周期（取指→译码→执行→回写）实现计算，解释为何修改代码后需重新编译运行47

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  1. 硬件协同工作：以内存为中心，分析CPU缓存（L1/L2/L3）、总线带宽对程序性能的影响，例如矩阵运算中缓存命中率优化策略9。
  2. 外设交互：通过DMA（直接内存访问）机制理解磁盘I/O与网络数据传输的高效性，对比传统中断模式的性能差异7。
  3. 二进制与数值表示
  4. 原码/反码/补码：详解整数溢出问题（如C语言中INT_MAX + 1的未定义行为），以及浮点数精度丢失的工程规避方案（金融计算推荐Decimal类型）418。
  5. 位运算实战：利用位掩码实现权限控制系统（如Linux文件权限的rwx标志），以及布隆过滤器的空间压缩原理18。

二、数据结构与算法核心精要

  1. 数据结构工程化实现
  2. 线性结构：手写动态数组（Vector）的内存扩容策略（2倍几何增长避免频繁复制），对比Java ArrayList源码实现差异216。
  3. 树形结构：红黑树在Java HashMap中的应用，分析哈希冲突时链表转树的阈值设定（默认长度≥8）2。
  4. 图论算法：Dijkstra算法在物流路径规划中的优化，结合堆结构将时间复杂度从O(V²)降至O((V+E)logV)216。
  5. 算法优化方法论
  6. 复杂度分析：通过Master定理推导递归算法的时间复杂度，例如归并排序的O(nlogn)证明28。
  7. 空间换时间案例：LRU缓存淘汰策略中哈希表+双向链表的组合，实现O(1)访问与淘汰操作16。
  8. 并行计算：MapReduce模型处理TB级日志分析，对比单机多线程与分布式计算的适用场景3。

三、操作系统与系统编程

  1. 进程与线程模型
  2. 上下文切换代价：通过perf工具统计线程切换的CPU周期消耗，解释为何协程（Coroutine）在IO密集型任务中更高效36。
  3. 死锁预防：银行家算法在资源分配中的应用，结合MySQL行锁机制分析死锁检测与回滚策略36。
  4. 内存管理：虚拟内存分页机制解析，通过mmap实现大文件零拷贝读取，对比传统read/write的系统调用开销318。
  5. Linux系统实战
  6. Shell编程：编写自动化部署脚本，集成awk日志分析与crontab定时任务6。
  7. 系统调用追踪：使用strace诊断程序卡顿问题，定位阻塞性IO或锁竞争3。
  8. 容器化基础：Namespace与Cgroups原理剖析，解释Docker隔离性的实现机制9。

四、计算机网络与分布式系统

  1. 协议栈深度解析
  2. TCP/IP模型：三次握手与四次挥手的状态变迁图，结合Wireshark抓包分析SYN洪水攻击防御方案69。
  3. HTTP/2特性：多路复用与头部压缩对Web性能的提升，对比gRPC基于HTTP/2的流式传输优势69。
  4. QUIC协议：基于UDP实现可靠传输，分析TLS 1.3的0-RTT握手在移动网络中的延迟优化9。
  5. 分布式系统挑战
  6. 一致性算法：Raft协议实现Etcd的Leader选举与日志复制，对比Paxos的工程复杂度9。
  7. CAP权衡：电商系统在高可用与强一致性间的选择，例如支付系统采用CP模型，商品展示采用AP模型9。
  8. 分布式事务：Seata框架的AT模式解析，通过UNDO_LOG实现业务数据回滚5。

五、数据库与存储技术

  1. 关系型数据库进阶
  2. 索引优化：B+树在MySQL InnoDB中的应用，联合索引的最左前缀匹配原则与索引下推优化515。
  3. 事务隔离级别：通过MVCC实现可重复读（Repeatable Read），对比Oracle的串行化实现差异5。
  4. SQL调优：EXPLAIN执行计划解读，避免全表扫描与临时表创建5。
  5. NoSQL与新型存储
  6. Redis持久化：RDB快照与AOF日志的混合持久化策略，保障缓存击穿场景下的数据安全5。
  7. 时序数据库：InfluxDB的TSM存储引擎设计，优化物联网设备高频数据写入5。
  8. 对象存储：MinIO的纠删码技术实现高可用存储，对比传统RAID方案的可靠性5。

六、编程语言核心特性

  1. C/C++系统级编程
  2. 内存管理：智能指针（unique_ptr/shared_ptr）实现RAII，避免资源泄漏1417。
  3. 多线程同步：原子操作（std::atomic）与无锁队列实现高性能并发14。
  4. ABI兼容性：通过extern "C"解决C++符号修饰导致动态库链接失败问题17。
  5. Java/Python高级特性
  6. JVM内存模型：逃逸分析与栈上分配优化，减少GC压力15。
  7. Python元编程：通过__metaclass__实现ORM框架的动态模型生成1113。
  8. GIL锁突破：多进程（multiprocessing）与C扩展（Cython）实现CPU密集型任务并行化11。

七、开发工具链与工程实践

  1. 效能提升工具
  2. 调试神器：GDB逆向工程破解核心转储（Core Dump），LLDB脚本化调试iOS应用314。
  3. 性能分析：Valgrind检测内存泄漏，perf定位CPU热点函数3。
  4. 持续集成：Jenkins Pipeline实现自动化测试与容器镜像构建69。
  5. 代码质量保障
  6. 静态分析：Clang-Tidy检查C++代码规范，SonarQube扫描技术债务314。
  7. 单元测试：Google Test框架的Mock对象实现依赖隔离3。
  8. 文档生成：Doxygen提取代码注释生成API文档，Read the Docs集成版本化管理14。

八、前沿技术延伸

  1. 云原生与边缘计算Service Mesh：Istio实现微服务流量治理，对比传统Spring Cloud方案9。Serverless架构：AWS Lambda冷启动优化策略，预置并发缓解延迟敏感型应用瓶颈9。边缘AI推理：TensorRT模型量化部署至NVIDIA Jetson设备，实现低延迟图像识别3。
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