程序員，你真的瞭解內存嗎

咱們都知道，計算機是處理數據的設備，而數據的主要存儲位置就是磁盤和內存，而且對於程序員來說，CPU 和內存是咱們必須瞭解的兩個物理結構，它是你通向高階程序員很重要的橋樑，那麼本篇文章咱們就來介紹一下基本的內存知識。

咱們都知道，計算機是處理數據的設備，而數據的主要存儲位置就是磁盤和內存，而且對於程序員來說，CPU 和內存是咱們必須瞭解的兩個物理結構，它是你通向高階程序員很重要的橋樑，那麼本篇文章咱們就來介紹一下基本的內存知識。

什麼是內存

內存（Memory）是計算機中最重要的部件之一，它是程序與CPU進行溝通的橋樑。計算機中全部程序的運行都是在內存中進行的，所以內存對計算機的影響很是大，內存又被稱爲主存，其做用是存放 CPU 中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲設備交換的數據。只要計算機在運行中，CPU 就會把須要運算的數據調到主存中進行運算，當運算完成後CPU再將結果傳送出來，主存的運行也決定了計算機的穩定運行。

內存的物理結構

在瞭解一個事物以前，你首先得先須要見過它，你纔會有印象，纔會有想要了解的興趣，因此咱們首先須要先看一下什麼是內存以及它的物理結構是怎樣的。

內存的內部是由各類IC電路組成的，它的種類很龐大，可是其主要分爲三種存儲器

• 隨機存儲器（RAM）：內存中最重要的一種，表示既能夠從中讀取數據，也能夠寫入數據。當機器關閉時，內存中的信息會 丟失。

• 只讀存儲器（ROM）：ROM 通常只能用於數據的讀取，不能寫入數據，可是當機器停電時，這些數據不會丟失。

• 高速緩存（Cache）：Cache 也是咱們常常見到的，它分爲一級緩存（L1 Cache）、二級緩存（L2 Cache）、三級緩存（L3 Cache）這些數據，它位於內存和 CPU 之間，是一個讀寫速度比內存更快的存儲器。當 CPU 向內存寫入數據時，這些數據也會被寫入高速緩存中。當 CPU 須要讀取數據時，會直接從高速緩存中直接讀取，固然，如須要的數據在Cache中沒有，CPU會再去讀取內存中的數據。

內存 IC 是一個完整的結構，它內部也有電源、地址信號、數據信號、控制信號和用於尋址的 IC 引腳來進行數據的讀寫。下面是一個虛擬的 IC 引腳示意圖

圖中 VCC 和 GND 表示電源，A0 - A9 是地址信號的引腳，D0 - D7 表示的是控制信號、RD 和 WR 都是好控制信號，我用不一樣的顏色進行了區分，將電源鏈接到 VCC 和 GND 後，就能夠對其餘引腳傳遞 0 和 1 的信號，大多數狀況下，+5V 表示1，0V 表示 0。

咱們都知道內存是用來存儲數據，那麼這個內存 IC 中能存儲多少數據呢？D0 - D7 表示的是數據信號，也就是說，一次能夠輸入輸出 8 bit = 1 byte 的數據。A0 - A9 是地址信號共十個，表示能夠指定 00000 00000 - 11111 11111 共 2 的 10次方 = 1024個地址。每一個地址都會存放 1 byte 的數據，所以咱們能夠得出內存 IC 的容量就是 1 KB。

若是咱們使用的是 512 MB 的內存，這就至關因而 512000（512 * 1000） 個內存 IC。固然，一臺計算機不太可能有這麼多個內存 IC ，然而，一般狀況下，一個內存 IC 會有更多的引腳，也就能存儲更多數據。

內存的讀寫過程

讓咱們把關注點放在內存 IC 對數據的讀寫過程上來吧！咱們來看一個對內存IC 進行數據寫入和讀取的模型

來詳細描述一下這個過程，假設咱們要向內存 IC 中寫入 1byte 的數據的話，它的過程是這樣的：

• 首先給 VCC 接通 +5V 的電源，給 GND 接通 0V 的電源，使用 A0 - A9 來指定數據的存儲場所，而後再把數據的值輸入給 D0 - D7 的數據信號，並把 WR（write）的值置爲 1，執行完這些操做後，便可以向內存 IC 寫入數據

• 讀出數據時，只須要經過 A0 - A9 的地址信號指定數據的存儲場所，而後再將 RD 的值置爲 1 便可。

• 圖中的 RD 和 WR 又被稱爲控制信號。其中當WR 和 RD 都爲 0 時，沒法進行寫入和讀取操做。

內存的現實模型

爲了便於記憶，咱們把內存模型映射成爲咱們現實世界的模型，在現實世界中，內存的模型很像咱們生活的樓房。在這個樓房中，1層能夠存儲一個字節的數據，樓層號就是地址，下面是內存和樓層整合的模型圖

咱們知道，程序中的數據不只只有數值，還有數據類型的概念，從內存上來看，就是佔用內存大小（佔用樓層數）的意思。即便物理上強制以 1 個字節爲單位來逐一讀寫數據的內存，在程序中，經過指定其數據類型，也能實現以特定字節數爲單位來進行讀寫。

下面是一個以特定字節數爲例來讀寫指令字節的程序的示例

這三個變量分別表示 1 個字節長度的 char，2 個字節長度的 short，表示4 個字節的 long。所以，雖然數據都表示的是 123，可是其存儲時所佔的內存大小是不同的。以下所示

這裏的 123 都沒有超過每一個類型的最大長度，因此 short 和 long 類型爲所佔用的其餘內存空間分配的數值是0，這裏咱們採用的是低字節序列的方式存儲

低字節序列：將數據低位存儲在內存低位地址。

高字節序列：將數據的高位存儲在內存地位的方式稱爲高字節序列。

內存的使用

指針

指針是 C 語言很是重要的特徵，指針也是一種變量，只不過它所表示的不是數據的值，而是內存的地址。經過使用指針，能夠對任意內存地址的數據進行讀寫。

在瞭解指針讀寫的過程前，咱們先須要瞭解如何定義一個指針，和普通的變量不一樣，在定義指針時，咱們一般會在變量名前加一個 * 號。例如咱們能夠用指針定義以下的變量

實際上，這些數據表示的是從內存中一次讀取的字節數，好比 d e f 的值都爲 100，那麼使用 char 類型時就可以從內存中讀寫 1 byte 的數據，使用 short 類型就可以從內存讀寫 2 字節的數據， 使用 long 就可以讀寫 4 字節的數據，下面是一個完整的類型字節表

咱們能夠用圖來描述一下這個讀寫過程

數組是內存的實現

數組是指多個相同的數據類型在內存中連續排列的一種形式。做爲數組元素的各個數據會經過下標編號來區分，這個編號也叫作索引，如此一來，就能夠對指定索引的元素進行讀寫操做。

首先先來認識一下數組，咱們仍是用 char、short、long 三種元素來定義數組，數組的元素用[value] 擴起來，裏面的值表明的是數組的長度，就像下面的定義

數組是內存的實現，數組和內存的物理結構徹底一致，尤爲是在讀寫1個字節的時候，當字節數超過 1 時，只能經過逐個字節來讀取，下面是內存的讀寫過程

數組是咱們學習的第一個數據結構，咱們都知道數組的檢索效率是比較快的，至於數組的檢索效率爲何這麼快並非咱們這篇文章討論的重點。

棧和隊列

咱們上面提到數組是內存的一種實現，使用數組可以使編程更加高效，下面咱們就來認識一下其餘數據結構，經過這些數據結構也能夠操做內存的讀寫。

棧

棧（stack）是一種很重要的數據結構，棧採用 LIFO（Last In First Out）即後入先出的方式對內存進行操做。它就像一個大的收納箱，你能夠往裏面放相同類型的東西，好比書，最早放進收納箱的書在最下面，最後放進收納箱的書在最上面，若是你想拿書的話， 必須從最上面開始取，不然是沒法取出最下面的書籍的。

棧的數據結構就是這樣，你把書籍壓入收納箱的操做叫作壓入（push），你把書籍從收納箱取出的操做叫作彈出（pop），它的模型圖大概是這樣

入棧至關因而增長操做，出棧至關因而刪除操做，只不過叫法不同。棧和內存不一樣，它不須要指定元素的地址。它的大概使用以下

隊列

隊列和棧很類似但又不一樣，相同之處在於隊列也不須要指定元素的地址，不一樣之處在於隊列是一種 先入先出(First In First Out) 的數據結構。隊列在咱們生活中的使用很像是咱們去景區排隊買票同樣，第一個排隊的人最早買到票，以此類推，俗話說: 先到先得。它的使用以下

與棧相對，FIFO 的方式表示隊列中最早所保存的數據會優先被讀取出來。

隊列的實現通常有兩種：順序隊列 和 循環隊列，咱們上面的事例使用的是順序隊列，那麼下面咱們看一下循環隊列的實現方式

環形緩衝區

循環隊列通常是以環狀緩衝區(ring buffer)的方式實現的，它是一種用於表示一個固定尺寸、頭尾相連的緩衝區的數據結構，適合緩存數據流。假如咱們要用 6 個元素的數組來實現一個環形緩衝區，這時能夠從起始位置開始有序的存儲數據，而後再按照存儲時的順序把數據讀出。在數組的末尾寫入數據後，後一個數據就會從緩衝區的頭開始寫。這樣，數組的末尾和開頭就鏈接了起來。

鏈表

下面咱們來介紹一下鏈表和 二叉樹，它們都是能夠不用考慮索引的順序就能夠對元素進行讀寫的方式。經過使用鏈表，能夠高效的對數據元素進行添加 和 刪除操做。而經過使用二叉樹，則能夠更高效的對數據進行檢索。

在實現數組的基礎上，除了數據的值以外，經過爲其附帶上下一個元素的索引，便可實現鏈表。數據的值和下一個元素的地址（索引）就構成了一個鏈表元素，以下所示

對鏈表的添加和刪除都是很是高效的，咱們來敘述一下這個添加和刪除的過程，假如咱們要刪除地址爲 p[2] 的元素，鏈表該如何變化呢？

咱們能夠看到，刪除地址爲 p[2] 的元素後，直接將鏈表剔除，並把 p[2] 前一個位置的元素 p[1] 的指針域指向 p[2] 下一個鏈表元素的數據區便可。

那麼對於新添加進來的鏈表，須要肯定插入位置，好比要在 p[2] 和 p[3] 之間插入地址爲 p[6] 的元素，須要將 p[6] 的前一個位置 p[2] 的指針域改成 p[6] 的地址，而後將 p[6] 的指針域改成 p[3] 的地址便可。

鏈表的添加不涉及到數據的移動，因此鏈表的添加和刪除很快，而數組的添加涉及到數據的移動，因此比較慢，一般狀況下，使用數組來檢索數據，使用鏈表來進行添加和刪除操做。

二叉樹

二叉樹也是一種檢索效率很是高的數據結構，二叉樹是指在鏈表的基礎上往數組追加元素時，考慮到數組的大小關係，將其分紅左右兩個方向的表現形式。假如咱們把 50 這個值保存到了數組中，那麼，若是接下來要進行值寫入的話，就須要和50比較，肯定誰大誰小，比50數值大的放右邊，小的放左邊，下圖是二叉樹的比較示例

二叉樹是由鏈表發展而來，所以二叉樹在追加和刪除元素方面也是一樣有效的。

這一切的演變都是之內存爲基礎的。

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做者簡介：cxuan 一個正在路上堅持信仰的技術人 最近他正在創做不少原創文章，都很是不錯。