当我们谈论内存时，在谈论什么？

待我称王封你为后i 2022-02-21 04:10 263阅读 0赞

本文是对内存原理的一些思考，以及程序员如何正确的使用计算机的内存。

1）  内存原理

内存原理决定了如何使用内存，而内存原理需要从微处理器说起，因为内存中预先编排好的指令，是要由中央处理器CPU来处理的。这里简单说一下CPU的组成结构，CPU包括程序控制单元、运算器和寄存器组三部分，由CPU内部总线连接在一起。如下图所示：

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图1：CPU结构

介绍完了CPU的基本结构，下面需要重点说说“总线”的概念：计算机中CPU、内存、外存和输入输出设备的接口之间是通过一条公共信息通道连接起来的，这条信息通道就是总线。所以，CPU和内存之间的信息交换都是通过数据总线和地址总线进行的，并通过控制总线控制“读”还是“写”，CPU有一个很重要的性能指标——字长，CPU一次所能处理的数据的二级制位数。CPU的字长也就是数据总线的宽度，由于数据总线的宽度对整个计算机系统的效率具有重要的意义，因而常简单地据此将计算机分为：8位、16位、32位和64位。英特尔8085处理器具备了16位的地址总线，但数据总线仍然是8位的，所以仍把它视为8位CPU。8086则具有了16位的数据总线和20位的地址总线。

在英特尔X86家族中，有两款处理器需要特别关注：8086和80286。8086采用了一种非比寻常的设计：通过重叠两个16位的字来形成20位的地址，而不是简单地连接两个字来形成32位的地址。由于8086的地址线为20位，而内部寄存器都是16位的，为了能在1MB的空间内进行寻址，把1MB存储器分成若干段，每一段最大为64KB，对内存进行操作时，段地址先确定下来，然后给出不同的段内偏移量，就可以实现段内的寻址。由于采用了分段结构，因此可以把每一个存储单元看成是具有两种类型的地址：物理地址和逻辑地址。物理地址就是实际地址，它具有20位的地址值，它惟一地标识1MB存储空间的某一存储单元。CPU与存储器之间的信息交换都是使用这个物理地址。逻辑地址是编程时所使用的地址，它由段地址和段内偏移量组成。

80286第一次试图扩内内存地址空间，它把控制单元移到处理器芯片的外面，并提供了一种野心勃勃的内存模式——虚拟模式。这种地址模式也被称作保护模式。在介绍虚拟内存的时候，就需要操作系统的知识了。因为在MS-DOS下运行的应用程序面临一个严峻的内存限制，那就是可用内存只有640KB，这个限制源于8086的最大寻址范围是1MB，而某些段必须予以保留，供系统所用。所以人们想用廉价但缓慢的磁盘来扩展快速却昂贵的内存：在任一给定时刻，程序实际需要使用的虚拟内存段的内存就被载入物理内存中，当物理内存中的数据有一段时间未被使用，它们就可能被转移到硬盘中，节省下来的物理内存空间用于载入需要使用的其他数据，现代的计算机系统都使用了虚拟内存。虚拟内存通过“页”的形式组织，当内存的映像在磁盘和物理内存间来回移动时，称它们是page in（移入内存）或pageout（移到磁盘）。IBM用于解释虚拟内存的张贴画这些写到：如果它存在，而且你能看见它——它是真实的；如果它不存在，但你能看见它——它是虚拟的；如果它存在，但你看不见它——它是透明的；如果它不存在，而且你也看不见它——那肯定是你把它擦掉了。

2）内存的使用

内存是程序的运行环境之一（其他两个是运行库和系统调用）。程序和内存就好比鱼和水的关系，密不可分。在32位的系统里，内存空间为4GB（2的32次方），即4GB的寻址能力，用户可以用一个32位的指针访问任意内存位置。Windows在默认情况下将高地址的2GB空间分配给内核，而Linux默认情况下将高地址的1GB空间分配给内核。剩下的为用户空间。用户空间有如下几个区域：

**栈区**：通常在用户空间的最高地址处分配，可以说没有栈就没有函数，没有局部变量。在经典计算机科学中，栈被定义为一个先入后出的容器，包括入栈（push）和出栈（pop）。在计算机系统中，栈是一个动态内存区域。

**堆区**：由于栈上的数据在函数返回时就会被释放掉，无法将数据传递至函数外部，而全局变量无法动态产生，只能在编译时定义，所以，堆成了唯一的选择。上面提到程序的运行环境之一——运行库，它相当于是向操作系统“批发”了一块较大的堆空间，然后“零售”给程序用。当全部“售完”或程序有大量的内存需求时，再根据实际需求向操作系统“进货”。

参考：

1）西安交通大学在线课堂：大学计算机基础

2） 《C专家编程》

3） 《程序员的自我修养》

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