程序员需要了解的硬核知识之内存

我们都知道，计算机是处理数据的设备，而数据的主要存储位置就是磁盘和内存，并且对于程序员来讲，CPU 和内存是我们必须了解的两个物理结构，它是你通向高阶程序员很重要的桥梁，那么本篇文章我们就来介绍一下基本的内存知识。

内存 （Memory） 是计算机中最重要的部件之一，它是程序与 CPU 进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存对计算机的影响非常大，内存又被称为主存，其作用是存放 CPU 中的运算数据，以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。

只要计算机在运行中，CPU 就会把需要运算的数据调到主存中进行运算，当运算完成后 CPU 再将结果传送出来，主存的运行也决定了计算机的稳定运行。

在了解一个事物之前，你首先得先需要见过它，你才会有印象，才会有想要了解的兴趣，所以我们首先需要先看一下什么是内存以及它的物理结构是怎样的。

内存的内部是由各种 IC 电路组成的，它的种类很庞大，但是其主要分为三种存储器

• 随机存储器 （RAM） ：内存中最重要的一种，表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器关闭时，内存中的信息会 丢失。
• 只读存储器 （ROM ） ： ROM 一般只能用于数据的读取，不能写入数据，但是当机器停电时，这些数据不会丢失。
• 高速缓存 （Cache） ： Cache 也是我们经常见到的，它分为一级缓存 （L1 Cache） 、二级缓存 （L2 Cache） 、三级缓存 （L3 Cache） 这些数据，它位于内存和 CPU 之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。 当 CPU 向内存写入数据时，这些数据也会被写入高速缓存中。 当 CPU 需要读取数据时，会直接从高速缓存中直接读取，当然，如需要的数据在 Cache 中没有，CPU 会再去读取内存中的数据。

内存 IC 是一个完整的结构，它内部也有电源、地址信号、数据信号、控制信号和用于寻址的 IC 引脚来进行数据的读写。 下面是一个虚拟的 IC 引脚示意图

图中 VCC 和 GND 表示电源，A0 - A9 是地址信号的引脚，D0 - D7 表示的是控制信号、RD 和 WR 都是好控制信号，我用不同的颜色进行了区分，将电源连接到 VCC 和 GND 后，就可以对其他引脚传递 0 和 1 的信号，大多数情况下，+5V 表示 1，0V 表示 0。

我们都知道内存是用来存储数据，那么这个内存 IC 中能存储多少数据呢？ D0 - D7 表示的是数据信号，也就是说，一次可以输入输出 8 bit = 1 byte 的数据。 A0 - A9 是地址信号共十个，表示可以指定 00000 00000 - 11111 11111 共 2 的 10 次方 = 1024 个地址。 每个地址都会存放 1 byte 的数据，因此我们可以得出内存 IC 的容量就是 1 KB。

如果我们使用的是 512 MB 的内存，这就相当于是 512000 （512 * 1000） 个内存 IC。当然，一台计算机不太可能有这么多个内存 IC ，然而，通常情况下，一个内存 IC 会有更多的引脚，也就能存储更多数据。

内存的读写过程

让我们把关注点放在内存 IC 对数据的读写过程上来吧！ 我们来看一个对内存 IC 进行数据写入和读取的模型

来详细描述一下这个过程，假设我们要向内存 IC 中写入 1byte 的数据的话，它的过程是这样的：

• 首先给 VCC 接通 +5V 的电源，给 GND 接通 0V 的电源，使用 A0 - A9 来指定数据的存储场所，然后再把数据的值输入给 D0 - D7 的数据信号，并把 WR （write） 的值置为 1，执行完这些操作后，即可以向内存 IC 写入数据
• 读出数据时，只需要通过 A0 - A9 的地址信号指定数据的存储场所，然后再将 RD 的值置为 1 即可。
• 图中的 RD 和 WR 又被称为控制信号。 其中当WR 和 RD 都为 0 时，无法进行写入和读取操作。

内存的现实模型

为了便于记忆，我们把内存模型映射成为我们现实世界的模型，在现实世界中，内存的模型很像我们生活的楼房。 在这个楼房中，1 层可以存储一个字节的数据，楼层号就是地址，下面是内存和楼层整合的模型图

我们知道，程序中的数据不仅只有数值，还有数据类型的概念，从内存上来看，就是占用内存大小 （占用楼层数） 的意思。即使物理上强制以 1 个字节为单位来逐一读写数据的内存，在程序中，通过指定其数据类型，也能实现以特定字节数为单位来进行读写。

下面是一个以特定字节数为例来读写指令字节的程序的示例

// 定义变量
char a;
short b;
long c;

// 变量赋值
a = 123;
b = 123;
c = 123;

我们分别声明了三个变量 a,b,c ，并给每个变量赋上了相同的 123，这三个变量表示内存的特定区域。 通过变量，即使不指定物理地址，也可以直接完成读写操作，操作系统会自动为变量分配内存地址。

这三个变量分别表示 1 个字节长度的 char，2 个字节长度的 short，表示 4 个字节的 long。 因此，虽然数据都表示的是 123，但是其存储时所占的内存大小是不一样的。 如下所示

这里的 123 都没有超过每个类型的最大长度，所以 short 和 long 类型为所占用的其他内存空间分配的数值是 0，这里我们采用的是低字节序列的方式存储

低字节序列： 将数据低位存储在内存低位地址。

高字节序列： 将数据的高位存储在内存地位的方式称为高字节序列。

指针

指针是 C 语言非常重要的特征，指针也是一种变量，只不过它所表示的不是数据的值，而是内存的地址。 通过使用指针，可以对任意内存地址的数据进行读写。

在了解指针读写的过程前，我们先需要了解如何定义一个指针，和普通的变量不同，在定义指针时，我们通常会在变量名前加一个 * 号。 例如我们可以用指针定义如下的变量

char *d; // char类型的指针 d 定义
short *e; // short类型的指针 e 定义
long *f; // long类型的指针 f 定义

我们以 32 位计算机为例，32 位计算机的内存地址是 4 字节，在这种情况下，指针的长度也是 32 位。 然而，变量  d e f 却代表了不同的字节长度，这是为什么呢？

实际上，这些数据表示的是从内存中一次读取的字节数，比如 d e f 的值都为 100，那么使用 char 类型时就能够从内存中读写 1 byte 的数据，使用 short 类型就能够从内存读写 2 字节的数据， 使用 long 就能够读写 4 字节的数据，下面是一个完整的类型字节表

我们可以用图来描述一下这个读写过程

数组是内存的实现

数组是指多个相同的数据类型在内存中连续排列的一种形式。 作为数组元素的各个数据会通过下标编号来区分，这个编号也叫做索引，如此一来，就可以对指定索引的元素进行读写操作。

首先先来认识一下数组，我们还是用 char、short、long 三种元素来定义数组，数组的元素用[value] 扩起来，里面的值代表的是数组的长度，就像下面的定义

char g[100];
short h[100];
long i[100];

数组定义的数据类型，也表示一次能够读写的内存大小，char 、short 、long 分别以 1 、2 、4 个字节为例进行内存的读写。

数组是内存的实现，数组和内存的物理结构完全一致，尤其是在读写1个字节的时候，当字节数超过 1 时，只能通过逐个字节来读取，下面是内存的读写过程

数组是我们学习的第一个数据结构，我们都知道数组的检索效率是比较快的，至于数组的检索效率为什么这么快并不是我们这篇文章讨论的重点。

栈和队列

我们上面提到数组是内存的一种实现，使用数组能够使编程更加高效，下面我们就来认识一下其他数据结构，通过这些数据结构也可以操作内存的读写。

栈

栈 （stack） 是一种很重要的数据结构，栈采用 LIFO （Last In First Out） 即后入先出的方式对内存进行操作。它就像一个大的收纳箱，你可以往里面放相同类型的东西，比如书，最先放进收纳箱的书在最下面，最后放进收纳箱的书在最上面，如果你想拿书的话， 必须从最上面开始取，否则是无法取出最下面的书籍的。

栈的数据结构就是这样，你把书籍压入收纳箱的操作叫做压入 （push） ，你把书籍从收纳箱取出的操作叫做弹出 （pop） ，它的模型图大概是这样

入栈相当于是增加操作，出栈相当于是删除操作，只不过叫法不一样。 栈和内存不同，它不需要指定元素的地址。 它的大概使用如下

// 压入数据
Push(123);
Push(456);
Push(789);

// 弹出数据
j = Pop();
k = Pop();
l = Pop();

在栈中，LIFO 方式表示栈的数组中所保存的最后面的数据 （Last In） 会被最先读取出来 （First On） 。

队列

队列和栈很相似但又不同，相同之处在于队列也不需要指定元素的地址，不同之处在于队列是一种 先入先出 (First In First Out) 的数据结构。 队列在我们生活中的使用很像是我们去景区排队买票一样，第一个排队的人最先买到票，以此类推，俗话说: 先到先得。 它的使用如下

// 往队列中写入数据
EnQueue(123);
EnQueue(456);
EnQueue(789);

// 从队列中读出数据
m = DeQueue();
n = DeQueue();
o = DeQueue();

向队列中写入数据称为 EnQueue()入列，从队列中读出数据称为DeQueue()。