Fw: [問卦] 精通數位邏輯對Coding有什麼幫助？

※ [本文轉錄自 Gossiping 看板 #1UeX4k_6 ]

作者: jserv (松鼠) 看板: Gossiping
標題: Re: [問卦] 精通數位邏輯對Coding有什麼幫助？
時間: Fri Apr 24 06:05:27 2020

※ 引述《HankYang (密探X)》之銘言：
: 餓死抬頭
: 不是說二進位、布林代數、邏輯閘等等那些超超超超基礎的東東
: 那些東東其他科目也會教
: 而是指正反器、循序邏輯電路、狀態機等等鬼東西
: 那些對Coding有什麼幫助呀嘻嘻嘻
: 有沒有八卦？

外頭雨勢好大，趁著等著雨勢減小才能吃早餐的空擋，嘗試簡單回覆。先講結論，網頁
伺服器背後的運作，跟數位邏輯有關，而且原始程式碼裡頭就寫了 (!)

原提問的推文下方，skaterboy13 提到:
「在這邊問這個做啥? 一堆裝懂的人 什麼都會說很基本」

的確，人人都可說「很基本」，但這樣的「基本」到底體現在何處呢？應是原發問者所
在意。我教計算機結構 [1]，會對著學員說，數位邏輯很「基本」，畢竟現行的電腦即是架構在一系列的組合邏輯電路之上。可是對於通用的程式設計有何幫助呢？特別是原發問者所提的正反器 (Flip-flop, FF)、序向邏輯電路 (sequential logic circuit)，及
狀態機等等「鬼東西」。或許這樣的質疑在不少人心裡都有，尤其抱持著「開發偉大的
程式」心態到了資訊工程系就讀的同學，發現電子電路、數位邏輯、微處理器等課程都是必修，不免感嘆「踩到地雷」了。

「如果我們一定非要那鬼量子躍遷不可，那我後悔參與量子理論。」 -- 在愛因斯坦
等人發表題為「量子力學能完整地解釋實在性嗎？」的論文、反駁量子世界觀之後，
薛丁格提出「薛丁格的貓」(Schrodinger's cat) 的論文。

倘若量子力學是原子中的幽靈，那麼數位邏輯就是程式設計裡頭的幽靈 -- 是否能窺見、是否「基本」，又能否給予你啟發，完全取決於你對於微觀世界的態度。

且讓我跳到開發高效率的網頁伺服器 (web server, 也稱 HTTP server 或 HTTP daemon,後者的 "daemon" 原為惡魔之意，在 UNIX 的世界中引申爲常駐程式) 開發工作來討論，再細談和數位邏輯的關聯。網頁伺服器這應該就符合原發問者對於程式設計的「程式」
標的物吧？但你有沒有想過，當你閱讀 NGINX [2] 一類高效率網頁伺服器的原始程式碼時，會看到 Level-triggered 和 edge-triggered 等術語 -- 後兩者就是數位邏輯裡頭正反器的術語，不是巧合，就是同個意思。

一時之間很難接受吧？以下摘錄自 NGINX Development guide [3]:
> All such events operate in Edge-Triggered mode, meaning that they only
> trigger notifications when the state of the socket changes. For example,
> doing a partial read on a socket does not make nginx deliver a repeated read> notification until more data arrives on the socket. Even when the underlying> I/O notification mechanism is essentially Level-Triggered (poll, select etc),> nginx converts the notifications to Edge-Triggered.

這裡談及兩種工作模式:
* Edge Triggered (ET, 邊緣觸發)
_______________________
/ (positive-edge trigger
___/
* Level Triggered (LT, 條件觸發)
____ (level trigger)
| |
____| |____

ET 表示在狀態改變時才通知（例如: 在邊緣上從低電位到高電位），LT 表示在這個狀態才通知（例如: 只要處於低電位就通知)。對應到上述的 NGINX 的網路通訊處理 (例如
socket)，ET 指一旦有新資料就通知（狀態的改變），而 LT 是「只要有新資料」就會
持續通知，直到緩衝區的資料全數取出。

詳細的議題可參見 Linux 開發手冊關於 epoll [4] 的描述，我們不難發現，儘管網頁
伺服器是貨真價實的軟體，但裡頭術語和概念的展現，逃脫不了硬體給予隱喻和影響
(implication)，我們學習數位邏輯就可強化對術語的認識，從而能夠和世界各地的高手交流。

開發高效率的網頁伺服器免不了探討 I/O 事件模型，例如 blocking I/O vs.
non-blocking I/O 和 synchronous I/O vs. asynchronous I/O，然後仔細觀察這些術語和含義後，不難發現也都可對應到組合邏輯電路的概念，無論時序抑或訊號同步的議題。

再來是狀態機 (state machine)。由於在高效能伺服器開發中，我們引入 non-blockingI/O 後，整體程式開發的難度陡然上升，遇到到 blocking read 不曾遇到的問題：資料可能分批送達，於是在通訊協定解析到一半時，read 就回傳 -1，所以我們必須將已讀到的資料保存下來，並維護其狀態，以表示是否仍需要資料。例如解析 HTTP Request
Header 時，讀到 GET /index.html HTT (注意：少一個 P) 就結束，在 blocking I/O
裡只要繼續 read 就可處理，但在 nonblocking I/O，我們必須維護這個狀態，下一次
必須讀到欠缺的 P 字元，否則 HTTP 通訊協定會遇上解析錯誤。為此，我們就需要維護一套狀態機，對！就跟數位邏輯所探討的是同一個術語。

在「Linux 核心設計」課程 [5] 中，我們展示一個原始程式碼不到 C 語言一千行的小
程式，卻具備約有 NGINX 一半資料吞吐量的網頁伺服器 seHTTPd，恰好就是數位邏輯
概念在真實世界的應用案例，相關資訊可見:
https://hackmd.io/@sysprog/fast-web-server

當然，這僅是起點，在課程中，我要求學員針對 Linux 系統特性和思索 web 情境去
探索更多更深刻的改進空間，而這一切，最佳化來自對系統的充分認知。引用羅輯思維
第 85 集: 費馬大定理 [6] 的結語:
「我們當中的絕大多數人，花了人生的十二年時光，六年小學，六年中學，被數學
摧殘，我們只知道數學是敲開大學校門的一個敲門磚，自打上了大學之後，這個
東西就被我們當做人生當中最痛苦的經驗，被刪除了。」
「人類知識領域智力領域的任何豐碑，從來都不是用強烈的目的性建造出來的，它的
每一塊磚，每一塊瓦，都是由興趣堆積出來的，興趣不僅導致了最後的成功，而且
點亮了其中的每一塊磚，每一塊瓦，每一個人的生命。」

在資訊工程 (或說電腦科學) 課程中，充斥著大量數學和電子硬體課程，其實就是上面
所提到的一磚一瓦，堆積著今日我們所見的數位世界的風情萬種。倘若我們一開始就戴著有色眼鏡去駁斥這些科目的學習，是否限制了自已可能的寬敞發展呢？

喔，我又來打廣告，歡迎關注「Linux 核心設計」[5] 和 "Computer Architecture" [1]這兩門課程，都有完整的線上教材可參考，也有練習題可讓學員隨時檢測自己所學。

[1] Computer Architecture
http://wiki.csie.ncku.edu.tw/arch/schedule
[2] NGINX: https://nginx.org/
根據 W3Techs 的統計資料，世界上最繁忙的網站前一萬名裡頭 57% 採用 NGINX
[3] NGINX Development guide
https://nginx.org/en/docs/dev/development_guide.html
[4] epoll - I/O event notification facility
http://man7.org/linux/man-pages/man7/epoll.7.html
[5] Linux 核心設計課程
http://wiki.csie.ncku.edu.tw/linux/schedule
[6] 羅輯思維 85 集: 費馬大定理
影片: https://youtu.be/bHexlr4b_j8

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