计算机基础- -认识内存

文章目录

计算机基础- -认识内存
- 一、什么是内存
- 二、内存的物理结构
- - 1.内存的读写过程
  - 2.内存的现实模型
- 三、内存的使用
- - 1.指针
  - 2.数组是内存的实现
  - 3.栈和队列
  - 4.链表
  - 5.二叉树

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
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
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
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：
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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) 。
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。

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
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?
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。
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。