你可能永远都搞不懂了图灵机了！
程序员都知道图灵机，但是却不一定能搞懂它，不一定理解它为什么这么厉害。
原因就是：图灵机太简单了，太数学了， 太抽象了。
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我刚上大学的时候，有个社团叫“图灵学社”，当时我还纳闷，图灵是谁？
我就跑到图书馆去查书：哇，图灵原来是我们的祖师爷啊，我们全靠他赏饭吃。
等等，这图灵机是什么玩意儿，一条纸带，一个读写头，一个控制器， 这也太简单了吧。
现在的电脑有漂亮的界面，丰富的操作，有视频，图片，声音。
编程中有虚拟机，各种框架，并发模型，设计模式，面向对象，泛型，函数式，闭包。
这么复杂的东西，怎么可能归结到如此简单的图灵机中？这不是痴心妄想吗？
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这还真不是痴心妄想。因为计算机使用的二进制数字可以表示一切！
先说图像。
图像有两种存储方式，一种是位图，一种是矢量图。
位图相当于把整个图像分解成一个个小的像素，每个像素都有颜色，这样就可以用二进制数字表达了。
就像下面这张笑脸图：
（可以看出图像放大以后就出现锯齿了。）
而矢量图相当于记录下了一个图像的几何信息。
比如一个圆，只要知道
1. 圆心
2. 半径
3. 绘制时的线型和颜色
就可以把他复原了， 很明显，这些数据也可以用二进制表示。
视频则是一帧帧的图像组成，既然图像可以用二进制表示，那视频肯定也没问题。
声音也是类似的，本来是连续的，但是电脑会对他进行采样（比如每秒采样44100次），变成离散的，就可以用二进制表达，存放到电脑中了。
（音频信号也出现锯齿了，因为数据是离散的，不是连续的了，不过只要采样频率高，人的耳朵分辨不出来）
所以，视频，图像，文本，声音都可以用二进制来表达，然后写程序对他们进行处理就行了。
至于各种语言编写的程序，无论是系统级的操作系统，还是应用层的Web网站， 最终都要归结到赋值，顺序，循环，分支这些最基本的结构。
如果你不相信，可以看看我之前写过几篇的文章：
《编程语言的巅峰》
所以只要图灵机能表达这些最基本的结构，一切问题就都解决了。
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本文的重点终于来了， 图灵机如何去表达这些基本的结构呢？
进入烧脑环节，强烈建议找一块儿安静的时间来阅读。
（其实做为一个程序员，多用脑子是好事，不要一遇到难点儿的东西就逃了，那样怎么会进步和成长呢？）
我们先从一个极其简单的编程语言来热身， 这个语言只有三条指令
1. 递增
incr(X)
2. 递减
decr(X)
3. 循环
while(X){
decr(X)
//做一些事情
}
别小看这三条指令，从它们出发，可以组合出很多新的指令，可以把这些指令称为宏。
这些宏一旦建立，可以再次被组合使用
第一个宏： 把一个变量X的值清0，记做 X <--0
while(X){
decr(X)
}
第二个宏： 给一个变量赋值，记做 X <-- n
X <-- 0 //复用第一个宏
incr(X)
incr(X)
incr(X)
.....
incr(X) //重复n次，不要嫌啰嗦，计算机最适合，最擅长干这种重复的事情
第三个宏：把X的赋值给Y ，记做 Y <--X
Y <--0 //利用第二个宏
while(X){
decr(X)
incr(Y)
}
第四个宏：实现if 语句 ，记做 if X then A
//注意，X的值只能是0或者1
while(X){
decr(X)
A
}
实际上，只要你愿意，还可以组合出各种各样的新指令
Y <--- Y + X
Y <--- Y * X
......
只不过需要花费更多的指令罢了。
也就是说这个简单的语言能实现上一节所说的赋值，顺序，循环，分支等基本结构。
那如果图灵机和这个简单语言也是等价的，那图灵机肯定能实现赋值，顺序，循环，分支了，对吧？
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接下来我们把目光转向一个“寒酸”的图灵机， 让它来实现decr(X), incr(X), while(X)
这个图灵机的磁带上只有空白（b）和字符 (1)两种选择
两个空白之间有多少个1就表示数字是多少，例如有4个1表示4， 10个1表示 10
下图就表示数字7
就是这么简单粗暴！
磁带上的读写头总是指向磁带上的一个符号（当前符号），读写完成以后，它可以左移，右移或者呆那儿不动， 这依赖于控制器中的指令是什么样子的。
最重要的是那个控制器，相当于现代的CPU了，它是一个有限状态的自动机，可以在有限的状态中根据输入转入另外一个状态。
我们现在试试用这个“寒酸”的图灵机来实现incr(X) ：对X加 1 。
为了方便说明，假设X为7， 读写头初始状态位于最左端的空白处
是不是很简单？
当然，这里可以用有限状态机来描述，为了降低理解负担， 我用大白话来说了。
想实现decr (X) ，就更简单了， 我们把刚才的X=8，减去1
首先让读写头右移，遇到1，把它变成b ，停止就行。
循环要稍微复杂一点儿，仔细看好了。
假设X = 3，循环是这样的
while(X){
循环体
}
三种基本的运算实现了，现在我们可以说：
简单图灵机 <--> 简单语言 <--> 复杂的语言
好了，证明完毕！不知道你晕了没有。
其实这根本不是证明，就是希望大家能感受下图灵这么简单的机器，也有着强悍的能力，就是实现起来比较费劲罢了。
后记：本文的简单语言和图灵机的例子来源于佛罗赞的《计算机科学导论》，这本书相当不错，推荐！