编程语言|数据在内存中的存储&载入内存,让程序运行起来

计算机要处理的信息是多种多样的,如数字、文字、符号、图形、音频、视频等,这些信息在人们的眼里是不同的。但对于计算机来说,它们在内存中都是一样的,都是以二进制的形式来表示。

要想学习编程,就必须了解二进制,它是计算机处理数据的基础。

内存条是一个非常精密的部件,包含了上亿个电子元器件,它们很小,达到了纳米级别。这些元器件,实际上就是电路;电路的电压会变化,要么是 0V,要么是 5V,只有这两种电压。5V 是通电,用1来表示,0V 是断电,用0来表示。所以,一个元器件有2种状态,0 或者 1。

我们通过电路来控制这些元器件的通断电,会得到很多0、1的组合。例如,8个元器件有 28=256 种不同的组合,16个元器件有 216=65536 种不同的组合。虽然一个元器件只能表示2个数值,但是多个结合起来就可以表示很多数值了。
我们可以给每一种组合赋予特定的含义,例如,可以分别用 1101000、00011100、11111111
来表示 C、语、言,这几个字,那么结合起来 1101000 00011100 11111111就表示”C语言“
一般情况下我们不一个一个的使用元器件,而是将8个元器件看做一个单位,即使表示很小的数,例如 1,也需要8个,也就是 00000001。
1个元器件称为1比特(Bit)或1位,8个元器件称为1字节(Byte),那么16个元器件就是2Byte,32个就是4Byte,以此类推:
8×1024个元器件就是1024Byte,简写为1KB;
8×1024×1024个元器件就是1024KB,简写为1MB;
8×1024×1024×1024个元器件就是1024MB,简写为1GB。
现在,你知道1GB的内存有多少个元器件了吧。我们通常所说的文件大小是多少 KB、多少 MB,就是这个意思。
单位换算:

  • 1Byte = 8 Bit
  • 1KB = 1024Byte = 210Byte
  • 1MB = 1024KB = 220Byte
  • 1GB = 1024MB = 230Byte
  • 1TB = 1024GB = 240Byte
  • 1PB = 1024TB = 250Byte
  • 1EB = 1024PB = 260Byte
我们平时使用计算机时,通常只会设计到 KB、MB、GB、TB 这几个单位,PB 和 EB 这两个高级单位一般在大数据处理过程中才会用到。

你看,在内存中没有abc这样的字符,也没有gif、jpg这样的图片,只有0和1两个数字,计算机也只认识0和1。所以,计算机使用二进制,而不是我们熟悉的十进制,写入内存中的数据,都会被转换成0和1的组合。
程序员的幽默 为了加深印象,最后给大家看个笑话。
程序员A:“哥们儿,最近手头紧,借点钱?”
程序员B:“成啊,要多少?”
程序员A:“一千行不?”
程序员B:“咱俩谁跟谁!给你凑个整,1024,拿去吧。”
你看懂这个笑话了吗?请选出正确答案。
A) 因为他同情程序员A,多给他24块
B) 这个程序员不会数数,可能是太穷饿晕了
C) 这个程序员故意的,因为他独裁的老婆规定1024是整数
D) 就像100是10的整数次方一样,1024是2的整数次方,对于程序员就是整数
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载入内存,让程序运行起来 如果你的电脑上安装了QQ,你希望和好友聊天,会双击QQ图标,打开QQ软件,输入账号和密码,然后登录就可以了。
那么,QQ是怎么运行起来的呢?
首先,有一点你要明确,你安装的QQ软件是保存在硬盘中的。
双击QQ图标,操作系统就会知道你要运行这个软件,它会在硬盘中找到你安装的QQ软件,将数据(安装的软件本质上就是很多数据的集合)复制到内存。对!就是复制到内存!QQ不是在硬盘中运行的,而是在内存中运行的。
为什么呢?因为内存的读写速度比硬盘快很多。
对于读写速度,内存 > 固态硬盘 > 机械硬盘。机械硬盘是靠电机带动盘片转动来读写数据的,而内存条通过电路来读写数据,电机的转速肯定没有电的传输速度(几乎是光速)快。虽然固态硬盘也是通过电路来读写数据,但是因为与内存的控制方式不一样,速度也不及内存。
所以,不管是运行QQ还是编辑Word文档,都是先将硬盘上的数据复制到内存,才能让CPU来处理,这个过程就叫作载入内存(Load into Memory)。完成这个过程需要一个特殊的程序(软件),这个程序就叫做加载器(Loader)。
CPU直接与内存打交道,它会读取内存中的数据进行处理,并将结果保存到内存。如果需要保存到硬盘,才会将内存中的数据复制到硬盘。

例如,打开Word文档,输入一些文字,虽然我们看到的不一样了,但是硬盘中的文档没有改变,新增的文字暂时保存到了内存,Ctrl+S才会保存到硬盘。因为内存断电后会丢失数据,所以如果你编辑完Word文档忘记保存就关机了,那么你将永远无法找回这些内容。
虚拟内存 如果我们运行的程序较多,占用的空间就会超过内存(内存条)容量。例如计算机的内存容量为2G,却运行着10个程序,这10个程序共占用3G的空间,也就意味着需要从硬盘复制 3G 的数据到内存,这显然是不可能的。
操作系统(Operating System,简称 OS)为我们解决了这个问题:当程序运行需要的空间大于内存容量时,会将内存中暂时不用的数据再写回硬盘;需要这些数据时再从硬盘中读取,并将另外一部分不用的数据写入硬盘。这样,硬盘中就会有一部分空间用来存放内存中暂时不用的数据。这一部分空间就叫做虚拟内存(Virtual Memory)。
3G - 2G = 1G,上面的情况需要在硬盘上分配 1G 的虚拟内存。
硬盘的读写速度比内存慢很多,反复交换数据会消耗很多时间,所以如果你的内存太小,会严重影响计算机的运行速度,甚至会出现”卡死“现象,即使CPU强劲,也不会有大的改观。如果经济条件允许,建议将内存升级为 4G,在 win7、win8、win10 下运行软件就会比较流畅了。
关于内存的更多知识,大家在学习完《C语言入门教程》后,请继续阅读《C语言和内存》,我敢保证你将会顿悟。
总结:CPU直接从内存中读取数据,处理完成后将结果再写入内存。
图1:CPU、内存、硬盘和主板的关系
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