计算机基础知识之内存

计算机是进行 「数据处理」 的设备，而程序表示的就是处理顺序和数据结构。由于处理对象（数据）是存储在 「内存」 和 「磁盘」 上的，因此我们今天来聊聊内存和磁盘。

内存的物理机制

❝内存实际上是一种名为 「内存IC」 的电子元件。

❞

「内存IC」 中有 「电源」 、 「地址信号」 、 「数据信号」 、 「控制信号」 等用于输入输出的大量 「引脚」 （IC的引脚），通过为其 「指定地址」 ，来进行数据的读写。

下图是 「内存IC」 的引脚配置示例。

• VCC和GND是**「电源」**
• A0~A9是 「地址信号」 的引脚
• D0~D7是 「数据信号」 的引脚
• RD和WR是 「控制信号」 的引脚

将电源连接到VCC和GND后，就可以给其他引脚传递比如0或1这样的信号。大部分情况下，+5V的 「直流电压」 表示1,0V表示0。

• 「数据信号」 引脚有D0~D7共8个，表示 「一次可以输入输出8位」 (=1字节)的数据。
• 「地址信号」 引脚有A0~A9共10个，表示可以指定0000000000~1111111111共1024个地址

由于地址用来表示数据的存储场所，因此我们可以得出这个 「内存IC」 可以存储1024个1字节的数据。又因为1024=1K，所以内存IC的容量就是1KB。

向内存IC读写数据

写入数据

假设我们往内存IC中写入1字节的数据。

• 可以给VCC接入+5V,给GND接入0V的电源
• 并使用A0~A9的 「地址信号」 来指定**「数据的存储场所」**
• 然后把数据的值输入给D0~D7的数据信号
• 并**「把WR(write的缩写)信号设定为1」**

执行完这些操作，就可以在 「内存IC」 内部写入数据了。

读取数据

在读取数据时，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(read的缩写)信号设成1」 即可。执行完这些操作，指定地址中存储的数据就会被输出到D0~D7的数据信号引脚中。

像WR和RD这样可以让IC运行的信号称为 「控制信号」 。

❝ 「内存IC」 内部有大量可以存储8位数据的地方，通过地址指定这些场所，之后即可进行数据的读写。

❞

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内存的逻辑模型

❝内存的逻辑模型是楼房

❞

上图表示的是，内存为1KB时，有1024层的楼房，每层都有1字节的数据。并且地址的值是从上往下逐渐变大的。

不过，在实际的 「编程环境」 下，还包含着物理内存中不存在的概念，那就是 「数据类型」 。在编程语言中的 「数据类型」 表示存储的是何种类型的数据。从内存来看，就是占用的内存大小（占有的楼层数）的意思。

❝即使是 「物理」 上以1个字节位单位来逐一读取数据的内存，在 「程序」 中，通过指定其类型，也能实现以 「特定字节数」 为单位来进行读写

❞

我们通过一个具体示例来进行说明。

下面是一个往a、b、c这三个变量中写入数据123的C语言程序，

// 定义变量
char a;
short b;
long c;

// 给变量赋值
a = 123;
b = 123;
c = 123;

这3个变量表示的是内存的特定区域。

❝通过使用变量，即便不指定 「物理地址」 ，也可以在程序中对内存进行读写。

❞

这是因为，在程序运行时候，操作系统会 「自动决定」 变量的物理地址。

在3个变量的数据类型分别是

• char:1字节长度
• short:2字节长度
• long:4字节长度

因此，虽然同样是数据123，存储时其占据的内存大小是不一样的。

上面的示例图中，采用的是 「将数据低位存储在内存低位地址」 的低字节序Little Endian方式。

由此，我们可以得出一个结论： 「根据程序中所指定的变量的数据类型的不同，读写的物理内存大小也会随之发生变化」 。

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数组是高效使用内存的基础

❝ 「数组」 是指多个 「同样数据类型」 的数据在内存中连续排列的形式。

❞

作为数组元素的各个数据会通过 「连续的编号」 被区分开来，这个编号称为 「索引」 。 「指定索引后，就可以对该索引对应地址的内存进行读写操作」 。

如下用C语言定义char类型、short类型、long类型三个数组。

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

数组的定义中所指定的数据类型，表示一次能够读取的内存大小。

❝数组是使用内存的基本，因为其他的内存使用技能，每一种都需要以数组为基础

❞

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栈、队列以及环形缓冲区

❝栈和队列，都可以不通过指定地址和索引来对数组的元素进行读写。

❞

栈和队列的区别在于 「数据出入的顺序是不同的」 。在对内存数据进行读写时， 「栈」 用的LIFO(Last Input First Out, 「后入先出」 )方式，而 「队列」 用的是FIFO(First Input First Out, 「先进先出」 )方式。

❝在内存中 「预留」 出栈和队列所需要的空间，并确定好写入和读出的顺序，就不用再指定地址和索引了

❞

我们假定往栈中写入数据的函数名为Push，把栈中读出数据的函数名为Pop

使用栈

// 往栈中写入数据
Push(123);  // 写入123
Push(456);  // 写入456
Push(789);  // 写入789

// 从栈中读出数据
j = Pop();  // 读出789
k = Pop();  // 读出456
l = Pop();  // 读出123

❝当我们需要 「暂时」 舍弃当前的数据，随后再 「恢复」 原貌时候，优先选用栈

❞

使用队列

假定往队列中写入数据的函数名为EnQueue，把栈中读出数据的函数名为DeQueue

// 往栈中写入数据
EnQueue(123);  // 写入123
EnQueue(456);  // 写入456
EnQueue(789);  // 写入789

// 从栈中读出数据
m = DeQueue();  // 读出123
n = DeQueue();  // 读出456
o = DeQueue();  // 读出789

❝当我们需要处理 「通讯」 中发送的数据时，或由 「同时运行的多个程序」 所发送过来的数据时，会用到这种队列中存储的不规则数据进行处理的方法

❞

队列一般是以环形缓冲区Ring Buffer的方式来实现的。

假设我们要有6个元素的数组来实现一个队列。这时可以从数组的 「起始位置」 开始有序地存储数据，然后再按照存储时的顺序数据读出。在数组的末尾写入数据后，后一个数据就会被写入数据的起始位置（此时数据已经被读出所以该位置是空的）

环形缓冲区的模型

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链表

❝通过使用链表，可以更加高效地对数组数据(元素)进行 「追加」 和 「删除」 处理

❞

在数组的各个元素中， 「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索引组合在一起」 ，就构成了数组的一个元素。

由于链表末尾的元素没有 「后续」 的数据，因此就需要用别的值（这里是-1）来填充。

在需要追加或删除数据的情况下，使用链表是很高效的。

这里，我们把之前我们针对JS链表相关算法的一些技巧直接迁移过来了。这里使用 「哨兵节点」 来对链表操作进行简化处理。

❝ 「哨兵节点」 是为了简化处理链表 「边界条件」 而引入的**「附加链表节点」**

❞

哨兵节点通常位于 「链表的头部」 ，它的值没有任何意义。在一个有哨兵节点的链表中， 「从第二个节点开始才真正的保存有意义的信息」 。

追加数据

function append(head,value) {
  // 哨兵节点 
  let dumy = new ListNode(0);
  dumy.next = head;
  
  // 遍历链表，直到链表尾部
  let node = dumy;
  while(node.next!=null){
    node = node.next;
  }

  node.next = new ListNode(value);
  return dumy.next;
}

首先，创建一个 「哨兵节点」 （该节点的 「值」 没有意义 -即ListNode(0)参数为啥不重要），并把该节点当做链表的头节点， 「把原始的链表添加到哨兵节点的后面」 （dumy.next = head）。

然后，返回真正的头节点（哨兵节点的下一个节点）node.next

这里有一个小的注意点，就是在 「遍历」 链表的时候，并不是直接对dumy进行处理，而是用了一个 「零时游标节点」 (node)。这样做的好处就是，在append操作完成以后，还可以通过dumy节点来，直接返回链表的头节点dumy.next。因为,dumy一直没参与遍历过程。

删除数据

❝为了删除一个节点，需要找到被删除节点的 「前一个节点」 ，然后把该节点的next指针指向它 「下一个节点的下一个节点」 。

❞

「哨兵节点」 ，在删除指定节点

function delete(head ,value){
  let dumy = new ListNode(0);
  dumy.next = head;
  
  let node = dumy;
  while(node.next!=null){
    if(node.next.value==value){
      node.next = node.next.next;
      barek;
    }
    node = node.next;
  }
  return dumy.next;
}

通过哨兵节点(dumy)直接将 「链表为空」 和 「被删除节点是头节点」 的两种特殊情况，直接囊括了。用最少的代码，处理最多的情况

二叉树

「二叉树查找树」 是指在链表的基础上往数组中追加元素时，考虑到数据的大小关系，将其分成左右两个方向的表现形式。

❝二叉查找树使 「数据搜索」 更有效。

❞

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❝「我们这里不对具体的数据结构进行详细的介绍。如果了解更多关于数据结构的和对应的算法的东西，可以移步到我们之前的文章中。」 总有一款适合你。