计算机基础_程序是怎样跑起来的_04_有棱有角的内存

本文深入浅出地介绍了内存的物理机制、逻辑模型,如数组、指针和链表的应用,以及栈、队列和二叉查找树在数据结构中的角色。从内存地址到数据类型,再到高级编程语言中的内存管理,适合初学者理解内存工作原理。

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有棱有角的内存


0、热身问题

  1. 有十个地址信号引脚的内存IC(集成电路)可以指定的地址范围是多少?
    2^10 = 1024个地址,即十六进制表示0x 00 00 00 ~ 0x 0F FF FF。
  2. 高级编程语言中的数据类型表示的是什么?
    占据内存区域的大小和存储在该内存区域的数据类型。
  3. 在32位内存地址的环境中,指针变量的长度是多少位?
    32位。
  4. 与物理内存有着相同构造的数组的数据类型长度是多少?
    1字节。因为物理内存是以字节为单位进行数据存储的。
  5. 用LIFO方式进行数据读写的数据结构称为什么?
    LIFO(Last In First Out,先进后出),栈。
  6. 根据数据的大小链表分叉成两个方向的数据结构称为什么?
    二叉查找树(Binary Search Tree)。

由于数据对象是存储在内存和磁盘上的,因此程序必须能自由地使用内存和磁盘。这篇文章,我们先来了解一下“内存”,后面我们再了解“磁盘”。


1、内存的物理机制很简单

内存:一种名为内存IC的电子元件。

内存中有大量输入和输出的引脚(IC的引脚),包括电源、地址信号、数据信号、控制信号等,通过为其指定地址(address)来进行数据的读写。

在这里插入图片描述

举个小例子,我们的计算机一般都是512M的内存,这就相当于524288个1KB的内存IC。

512M = 512 MB = 512 * 1024 * 1024 * 1 B
1KB = 1024 B = 1024 * 1 B

512MB / 1KB = 512 * 1024 = 524288

但是一般我们的计算机都会有更多的地址引脚和数据引脚,这样一块内存IC的容量就会达到数十兆字节。

接下来,我们来看看数据的读写。
在这里插入图片描述


2、内存的逻辑模型是楼房

以我们上面讲到的内存IC为例子,类比“楼房”,一层可以存储1个字节的数据,而楼层号则表示地址编号。

在这里插入图片描述

数据类型:存储的是何种类型的数据。

变量:可以简单理解为某块“内存地址”的别名。

通过使用变量,即便不指定内存地址,也可以在程序中对内存进行读写。

以C语言为例子。

char a = 123;	//1字节
short b = 123;	//2字节
long c = 123;	//4字节

低字节序:将多字节数据的低位字节存储在内存低位的方式。奔腾等英特尔处理器用的就是低字节序。

高字节序:将多字节数据的高位字节存储在内存低位的方式。

我们以“低字节序”为例子,虽然变量的值都为123,但是其占用的内存空间可不同。

在这里插入图片描述


3、简单的指针

大家应该还记得C语言中的指针吧,我个人是对它又爱又恨啊。

指针:存储的数据的内存的地址。

指针变量:存放指针的变量。

char* d;
short* e;	
long* f;

对于“short* e”:

  1. *表示该变量是该变量是指针变量;
  2. short指数据类型,表示一次性可以读取的字节数。

在这里插入图片描述


4、数组是高效使用内存的基础

数组:多个同样数据类型的数据在内存中连续排列的形式。

索引:数组元素的编号。

索引和内存地址的交换工作是由编译器自动实现的。指定索引之后,CPU通过基址寄存器和变址寄存器来指定内存地址,进而对其进行读写操作。

根据指针和数组的关系:

  • 数组名(指针)对应基址寄存器。
  • 索引(指针增量)对应变址寄存器。
char g[100];	//char类型的数组以1字节为单位对内存进行读写。
short h[100];	//short类型的数组以2字节为单位对内存进行读写。
long i[100];	//long类型的数组以4字节为单位对内存进行读写。

在这里插入图片描述


5、栈、队列以及环形缓冲区

栈:LIFO,后进先出。

队列:FIFO,先进先出。

在这里插入图片描述

应用:

  • 栈:当前暂时舍弃的数据,随后再还原。
  • 队列:先到先处理,如通讯中发的数据或同时运行的程序发送过来的数据。

这一块的知识在《数据结构与算法》这门课中会重点介绍。


6、链表使元素的追加和删除更容易

这一块的知识在《数据结构与算法》这门课中会重点介绍。


7、二叉查找树使数据检索更有效

这一块的知识在《数据结构与算法》这门课中会重点介绍。


注:如哟错误,敬请指正!

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