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C语言探索之旅 | 第一部分第四课:变量的世界(一),内存那档事

2020.05.22 14:48 677浏览

作者 谢恩铭,慕课网精英讲师 Oscar老师。
转载请注明出处。

内容简介


  1. 前言
  2. 不同类型的存储器
  3. 内存
  4. 第一部分第五课预告

1. 前言


经过上一课 C语言探索之旅 | 第一部分第三课:你的第一个程序 ,我们已经知道怎么在屏幕上显示文字了。

暂时我们也就只能做这么多了。而这是正常的,因为我们还没学习很重要的编程知识:变量

变量相关的知识点比较多,我们会分为几课来学习:

  • 内存那档事;
  • 声明变量;
  • 显示变量内容和提取输入内容。

这一课我们学习电脑内存的知识。

每一个正常人都有记忆,我们的老朋友电脑也不例外,只不过它比我们“厉害”,它的记忆(存储器)有好几种。

为什么电脑要有好几种存储器呢?单单一种还不够吗?

不够:主要问题是我们想要电脑有一个既快捷(能够很快提取信息)又容量大(能够存储很多数据)的存储器。

然而,你会哑然失笑,因为目前我们还没有一种兼具快捷和大容量两种特性的存储器。更准确地说,高速存储器太贵,所以容量只能低一点。

因此,我们只能给电脑配备:

  • 或者是很高速但是低容量的存储器;
  • 或者是大容量但是低速的存储器。

2. 不同类型的存储器


以下列出电脑的存储器类型,从速度最快到速度最慢排序:

  1. 寄存器(Register):位于处理器(Processor)上,存取速度非常快(因为“近水楼台先得月”)。

  2. 高速缓存(Cache):用于链接寄存器和内存。

  3. 内存(Memory):这是我们编程时最常打交道的存储器,也是平时我们买电脑时很关心的数据之一。

  4. 硬盘(Hard Disk):你肯定不陌生,就是平时 Windows 电脑里的 C 盘,D 盘之类的(当然还有很多其他类型的硬盘,比如 U 盘,EEPROM,等),我们在里面存储文件,照片,视频,等。

正如上面所说,我们这里把存储器从最快(寄存器)到最慢(硬盘)做了分类。你应该可以推断出寄存器相比硬盘来说,容量要小很多。

寄存器只能存储少量的数据,而硬盘则可以存储大量的数据。

当我们说一个存储器慢的时候,其实是相对电脑的处理速度而言的。

读取硬盘大概要耗费 8 毫秒,对于一台电脑来说那已经很慢了(现在普通的家用电脑的运算速度都已经可以达到每秒几十亿次了,1 GHz 对应每秒 10 亿次;如果你的电脑主频是 2.5 GHz,那运算速度就是每秒 25 亿次;现在家用的双核电脑通常都能达到每秒 50 亿次运算(5 GHz)左右的水平)。

上面所说的内容,我们需要掌握什么呢?

事实上,只需要关心一部分就够了。要知道在编程时,我们基本上只和内存打交道。我们在之后的课程中也会学习如何读写硬盘,在硬盘上创建文件。至于寄存器和高速缓存,我们基本不关心,这是电脑的事。

当然,在一些很底层的语言中,比如汇编语言(Assembly,简称 ASM),我们经常会用到寄存器。

我以前学生时代跟着王爽老师的《汇编语言》第二版学习了汇编,那本书写得挺好。

但是我想说的是,用汇编哪怕只是做个乘法,也是很不容易的。幸运的是,在 C语言(或其他大部分语言)中做乘法很简单。

还要记住一个很重要的知识点:上述四种存储器类型中,只有硬盘是可以永久保存数据的。其他的存储器(寄存器,高速缓存,内存)都是暂时性的存储器:当你关闭电脑时,这些存储器会被清空。

幸好,当你重新开启电脑时,硬盘里的数据始终存在,所以你的电脑还知道自己姓甚名谁。

3. 内存


既然我们以后的大部分时间都要跟内存打交道,那岂能不来认识认识这位朋友呢?

我们用变焦镜头的形式慢慢道来。

一开始看到的是我们的电脑工作环境的整体图片:

电脑工作环境

上图中的鼠标,键盘,显示屏,你应该都不陌生吧,还有右边那个大家伙:主机箱

我们关心的是主机箱,因为我们的内存在这里面。

主机箱

当然,我们的硬盘,寄存器和高度缓存也都在这个主机箱里。

我们来开盖看看里面的内容吧:

主机箱内部

看上去有点凌乱,不过不用担心,我们并不需要知道各部分的功能,我们只需要关心我们这一章的主角:内存

它在哪呢?聪明如你可能已经发现了,我用红色框标识的那个区域就是内存所在。

我并没有标出其他两种存储器:高速缓存和寄存器,因为它们实在太小了,不容易看到。

下图就是内存条的样子:

内存条

内存也经常被称为 RAM,是 Random Access Memory(随机存取存储器)的缩写。所以之后的课程我们有时也会用 RAM 来称呼内存。

内存图示


从外观上,即使我们用显微镜来看内存条,也看不出个所以然来。我们关心的是它内部的运作机制。

下面是一张内存机制的图示:

内存机制

很精简是吧,因为我们不需要知道太多细节。不然我们可能会被告知:“你,你知道得太多了”。然后… 就没有然后了…

如果你能了解清楚上图,暂时也已经足够了。

如你所见,上图中我们关心两列:

  • 左边一列是地址: 内存地址是一个数,能够让电脑在内存里定位, 地址从 0 开始,到 3448765900126 结束。这里只是举个例子,我并不知道这个内存里有多少地址(不一定是到 3448765900126 结束),每个内存条的容量是不同的。一般来说,内存条容量越大,地址数就越多,储存的信息也越多。

  • 右边一列是值(数字): 每一个内存地址都储存一个数值,以便电脑之后使用,而且每个地址只能存储一个值。

我们的内存只能存储数字。

那你要问了,内存里怎么存储一个英语单词呢?

好问题。事实上,对于电脑来说,字母也是以数字的形式呈现。一句话就是一连串的数字。

有一张表储存了数字和字母的对应关系,这张表被称为“ASCII 码表”。举个例子,数字 67 对应大写的字母 C。

我们暂时不深究 ASCII 码表,之后的课程会再次提到。

所以上图其实不难理解,如果我们要在内存中储存一个数,比如 5,内存会看看哪个地址是可用的,然后在里面(比如地址 35487412)储存 5;之后内存再要取这个数值的时候,就直接去访问 35487412 这个地址,得到里面的数,是 5。

大体上内存的机制就是这样,暂时还是有点模糊的,但在之后的章节,会越来越清晰,我向你保证。

4. 第一部分第五课预告


今天的课就到这里,一起加油吧!

下一课我们继续探寻 C语言变量的奇幻世界。


我是 谢恩铭慕课网精英讲师 Oscar 老师,终生学习者。
热爱生活,喜欢游泳,略懂烹饪。
人生格言:「向着标杆直跑」

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