计算机内存和磁盘的关系

前言

上篇文章详细讲了计算机内存的物理结构，逻辑结构以及在内存的基础上理解几种常见的数据结构。但是，计算机系统出了内存之外，还有一个非常重要的硬件，那就是磁盘。他们都是用于计算机存储，但是内存是利用电流来实现存储，而磁盘是利用磁效应来实现存储，并且，从存储容量来看， 内存是高速高价，而磁盘则是低速廉价。在计算机这个系统中，高速小容量的内存与低速高容量的磁盘进行协同作业。本文详解内存与磁盘之间的那些事儿。

一、首先要明确一个前提

我们知道计算机是利用CPU进行数据的运算的，但CPU只能对内存中的数据进行运算，而对于磁盘中的数据是不能运算的。如果要运算磁盘中的数据，必须先把磁盘中的数据读入内存，CPU才能进行运算。

二、如何提高磁盘数据的访问速度？

磁盘缓存可以用来提高磁盘访问速度。什么是磁盘缓存呢？其实很简单，既然CPU只能运算内存中的数据，磁盘中的数据必须读入内存才能处理，那么提高磁盘访问速度的最直接的方法，就是把磁盘中的数据事先读入内存中去，存储磁盘数据的内存空间称为磁盘缓存，当接下来需要读取同一数据时，就不用通过实际的磁盘，而是从磁盘缓存中把内容读出。

三、内存因高价，一般容量很小，那么如何通过低价大容量的磁盘来扩大内存的容量呢？

• 虚拟内存是指把磁盘的一部分作为假想的内存来使用。这与磁盘缓存是假想的磁盘（实际上是内存）相对，虚拟内存是假想的内存（实际上是磁盘）。
• 那么，如何把磁盘当做内存来使用呢？CPU只能对内存中的数据进行处理，这点是不变的，如果想要把磁盘当做内存来用，那么也必须把磁盘中的数据读入内存才能使用。因此，虚拟内存虽说是把磁盘作为内存的一部分来使用，但实际上正在运行的程序部分，在这个时间点上是必须存在在内存中的。也就是说，为了实现 虚拟内存，就必须把实际内存（也可称为物理内存）的内容，和磁盘上的虚拟内存的内容进行部分置换（swap），并同时运行程序。也就是说在某一时刻，将内存中不用的数据放到磁盘中，空出内存空间，然后把磁盘中需要计算的数据读入内存中来完成置换。
• 那么，又如何实现磁盘内存的内容和虚拟内存的内容进行置换呢？虚拟内存的方法有分页式和分段式两种。分页式和分段式都是磁盘和内存进行内容一次置换的基本单位。
• 分段式虚拟内存是指，把要运行的程序分割成以处理集合为单位的段落，然后再以分割后的段落为单位在内存和磁盘之间进行数据置换。
• 分页式虚拟内存是指， 在不考虑程序构造的情况下，把运行的程序按照一定大小的页（page） 进行分割，并以页为单位在内存和磁盘间进行置换。Windows 计算机的页的大小是 4KB。也就是 说，把大程序用4KB的页来进行切分，并以页为单位放入磁盘（虚拟 内存）或内存中
  

四、真正节约内存的编程方法

• 使用虚拟内存时发生的Page In和Page Out往往伴随着低速的磁盘访问，因此在这个过程中应用的运行会变得迟钝起来。也就是 说，虚拟内存无法彻底解决内存不足的问题。那么为了从根本上解决内存不足的问题，需要增加内存的容量，或者尽量把运行的应用文件变小。
• 而增加内存的代价昂贵，因此一般是想方设法把应用文件变小。那么如何将应用文件变小呢？有两种方法
• （1）通过 DLL 文件实现函数共有。DLL（Dynamic Link Library）文件 ，顾名思义，是在程序运行时可以动态加载Library（函数和数据的集合）的文件。此外，还有一个需要大家注意的地方，那就是多个应用可以共有同一个DLL文件，而通过共有同一个DLL文件则可以达到节约内存的效果。与动态链接库相对应的是静态链接库，动态链接库可以实现文件共享，而静态链接库则不能实现。如下对比图
  
• （2）通过调用 _stdcall 来减小程序文件的大小 。C 语言中，在调用函数后，需要执行栈清理处理指令（把不需要的数据从内存上的栈区域中清理出去）。编译器默认将该处理附加在函数调用方，这会导致每次调用函数，都会重复执行同样的栈清理操作，就会造成内存的浪费。那么如果栈清理操作在被调用方执行，这样相同的栈清理工作就会只执行一次就可以了，起到节约内存的功能。通过调用_stdcall就可以实现栈清理操作在被调用方执行。
  

五、磁盘存储数据的形式（磁盘的物理结构）

• 磁盘是通过把其物理表面划分成多个空间来使用的。划分的方式有扇区方式和可变长方式两种，前者是指将磁盘划分为固定长度的空间，后者则是指把磁盘划分为长度可变的空间。一般的Windows计算 机所使用的硬盘和软盘，采用的都是扇区方式。
• 扇区方式中，把磁盘 表面分成若干个同心圆的空间就是 磁道，把磁道按照固定大小（能存储 的数据长度相同）划分而成的空间就是扇区。
  
• 扇区是对磁盘进行物理读写的最小单位。Windows中使用的磁盘， 一般1个扇区是512字节。不过Windows在逻辑方面对磁盘进行读写的单位是扇区的整数倍（簇），这个很好理解，存入磁盘中的数据必须保证其完整性，如果数据小于512k，则一扇区就够了，但如果数据大于512k，这是再用一扇区的区域去存储数据，就会导致数据在磁盘内存上的“分离”而导致不完整性。因此，不管多么小的文件都要占用一簇，不管多么大的文件也都要占用一簇，这时候一簇是多少个扇区，就要更加数据大小来确定了。