【操作系统】内存和外存

以下外存主要以磁盘为例。

1. 基本定义与特点

• 内存（RAM）

  • 主要特点是速度快，但属于易失性存储（断电后数据丢失）。
  • 用途：存储正在运行的程序和即时需要的数据，供CPU快速直接访问。
  • 容量通常比磁盘小。一般在几GB到几十GB范围内（现代PC内存普遍为8GB~64GB）。

• 磁盘（HDD/SSD）

  • 速度较慢，但属于非易失性存储（断电后数据不会丢失）。通过I/O设备间接访问。
  • 用途：存储操作系统、软件、文档等长期数据。
  • 容量通常比内存大得多。

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2. 内存和磁盘的关系

1. 数据加载和运行

   • 磁盘用于存储数据和程序文件，但这些文件无法直接被CPU处理。
   • 当需要运行某个程序或使用某些数据时，操作系统会将程序或数据从磁盘读取到内存中。此过程叫做加载。
   • CPU通过内存高速访问这些数据或程序指令。

2. 虚拟内存

   • 当内存不足时，操作系统会使用磁盘的一部分作为虚拟内存（交换分区或页面文件）。
   • 虽然速度比内存慢得多，但虚拟内存可以临时缓解内存不足的问题。

3. 缓存与预取

   • 为了减少频繁的磁盘读取对性能的影响，操作系统会将磁盘数据缓存到内存中，称为磁盘缓存。
   • 磁盘缓存通过预取机制在需要数据之前将其加载到内存中，从而提高数据访问效率。

4. 持久化

   • 内存中处理的数据通常需要保存到磁盘上（如文档编辑、数据库操作）。
   • 这种保存数据到磁盘的过程称为数据持久化。

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3. 举例说明

• 启动一个应用程序时，操作系统会将程序文件从磁盘读取到内存，供CPU运行。
• 浏览网页时，加载的网页数据可能会存储在内存中（缓存），提高后续访问速度。
• 玩游戏时，游戏地图和材质数据会提前加载到内存，以减少读取延迟。

4. 其他外存

外存通常指的是磁盘，但不仅仅局限于磁盘。包括所有用于长期存储数据的非易失性存储设备。磁盘（如HDD或SSD）是外存的主要形式之一，但外存还包括其他存储设备，例如U盘、光盘、磁带等。

1. 磁盘（HDD 和 SSD）

   • 硬盘驱动器 / 机械硬盘（HDD）
     • 基于磁性存储，具有较大的容量和较低的成本。
     • 读写速度较慢，适合存储大量数据。
   • 固态硬盘（SSD）
     • 基于闪存存储，速度快、功耗低，逐渐取代HDD。
     • 成本较高，但性能更适合频繁访问的数据。
   • 而移动硬盘分为基于HDD的移动硬盘和基于SSD的移动硬盘

2. U盘（USB 闪存驱动器）

   • 通过USB接口连接，便携且速度较快。
   • 容量一般较小，适合传输和备份数据。

3. 光盘（CD/DVD/Blu-ray）

   • 使用光学存储技术，适合长期存储数据，如音乐、视频等。
   • 现在已较少用于主流存储，常见于归档数据。

4. 磁带

   • 大容量、低成本的存储设备，适合长期存档和备份数据。
   • 读写速度慢，主要用于企业级存储。

5. 其他外存设备

   • SD卡：常用于移动设备，如相机、手机等。
   • 云存储：虽然严格来说不是本地存储，但也可以被视为外部存储的一种形式。