计算机基础- -认识内存

计算机基础- -认识内存

一、什么是内存

  • 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。

二、内存的物理结构

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。
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  • 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(L 2 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

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  • 图中VCC和GND表示电源A 0-A 9是地址信号的引脚, DO-D 7表示的是控制信号、RD和WR都是好控制信号,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8bit=1byte的数据。
  • A 0-A 9是地址信号共十个, 表示可以指定0000000000-1111111111共2的10次方=1024个地址。每个地址都会存放1byte的数据, 因此我们可以得出内存IC的容量就是1KB。
  • 如果我们使用的是512MB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。

1.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
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  • 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AO-A9来指定数据的存储场所
  • 然后再把数据的值输入给DO-D 7的数据信号, 并把WR(write)的值置为1,执行完这些操作后,就可以向内存IC写入数据了
  • 读出数据时,只需要通过AO-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。

2.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,内存的模型很想我们生活的楼房。

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
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  • 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
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  • 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

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  • 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。 -->>小端
高字节序列:将数据的高位存储在内存低位的方式称为高字节序列。–>>大端

三、内存的使用

1.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(非绝对)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
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  • 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def却代表了不同的字节长度, 这是为什么呢?
  • 实际上, 这些数据类型表示的是从内存中一次读取的字节数, 比如def的值都为100, 那么使用char类型时就能够从内存中读写1byte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
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我们可以用图来描述一下这个读写过程
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2.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
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  • 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
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3.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(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
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  • 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
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  • 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) 。
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  • 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:
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  • 向队列中写入数据称为EnQueue() 入列, 从队列中读出数据称为DeQueue O) 。
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  • 与栈相对, FIFO的方式表示队列中最先所保存的数据会优先被读取出来

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  • 队列的实现一般有两种:顺序队列和循环队列
  • 我们上面的事例使用的是顺序队列,那么下面我们看一下循环队列的实现方式

环形缓冲区

  • 循环队列一般是以环状缓冲区(ringbuffer) 的方式实现的, 它是一种用于表示一个固定尺寸、头尾相连的缓冲区的数据结构,适合缓存数据流
  • 假如我们要用6个元素的数组来实现一个环形缓冲区,这时可以从起始位置开始有序的存储数据,然后再按照存储时的顺序把数据读出。
  • 在数组的末尾写入数据后,后一个数据就会从缓冲区的头开始写。这样,数组的末尾和开头就连接了起来。
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4.链表

  • 下面我们来介绍一下链表和二叉树,它们都是可以不用考虑索引的顺序就可以对元素进行读写的方式。

  • 通过使用链表,可以高效的对数据元素进行添加和删除操作。而通过使用二叉树,则可以更高效的对数据进行检索。

  • 在实现数组的基础上,除了数据的值之外,通过为其附带上下一个元素的索引,即可实现链表。

  • 数据的值和下一个元素的地址(索引)就构成了一个链表元素,如下所示
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  • 对链表的添加和删除都是非常高效的,我们来叙述一下这个添加和删除的过程,假如我们要删除地址为p[2]的元素,链表该如何变化呢?
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  • 我们可以看到,删除地址为p[2]的元素后,直接将链表剔除,并把p[2]前一个位置的元素p[1]的指针域指向p[2]下一个链表元素的数据区即可。

  • 那么对于新添加进来的链表,需要确定插入位置,比如要在p[2]和p[3]之间插入地址为p[6]素,需要将p[6]的前一个位置p[2]的指针域改为p[6]的地址,然后将p[6]的指针域改为p[3]的地址即可
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  • 链表的添加不涉及到数据的移动,所以链表的添加和删除很快,而数组的添加设计到数据的移动,所以比较慢,通常情况下,使用数组来检索数据,使用链表来进行添加和删除操作。

5.二叉树

  • 二叉树也是一种检索效率非常高的数据结构,二叉树是指在链表的基础上往数组追加元素时,考虑到数组的大小关系,将其分成左右两个方向的表现形式。
  • 假如我们把50这个值保存到了数组中,那么,如果接下来要进行值写入的话,就需要和50比较,确定谁大谁小,比50数值大的放右边,小的放左边,

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  • 二叉树是由链表发展而来,因此二叉树在追加和删除元素方面也是同样有效的。
  • 这一切的演变都是以内存为基础的。

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转载自blog.csdn.net/wolfGuiDao/article/details/107648687

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