程序是怎么跑起来的（4）---熟练使用内存

热身

1. 有十个地址信号引脚的内存IC（集成电路）可以指定的地址范围是多少？

2. 高级编程语言中的数据类型表示的是什么？

3. 在32位内存地址的环境中，指针变量的长度是多少位？

4. 与物理内存有着相同构造的数组的数据类型长度是多少？

5. 用LIFO方式进行数据读写的数据结构称为什么？

6. 根据数据的大小链表分叉成两个方向的数据结构称为什么？

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，因此程序必须能自由地使用内存和磁盘。因此大家有必要对内存和磁盘的构造有一个物理上的（硬件的）和逻辑上的（软件的）认识。

从物理上来看，内存的构造非常简单。只要在程序上花一些心思，就可以将内存变换成各种各样的数据结构来使用。

内存的物理机制很简单

为了能够对内存有一个整体把握，首先让我们来看一下内存的物理机制。内存实际上是一种名为内存IC的电子元件。虽然内存IC包括DRAM、SRAM、ROM、等多种形式，但从外部来看，其基本机制都是一样的。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（address），来进行数据的读写。

ROM（Read Only Memory）是一种只能用来读取的内存。
RAM（Random Access Memory）是可被读取和写入的内存，分为需要经常刷新（refresh）以保持数据的DRAM（Dynamic RAM）,以及不需要刷新电路即能保存数据的SRAM（Static RAM）。

内存的逻辑模型是楼房

在介绍程序时，大部分参考书都会用类似于楼房的图形来表示内存，在这个楼房中，1层可以存储1个字节的数据，楼层号表示的就是地址。对于程序员来说，这种形象的解说有助于了解内存。

虽然内存的实体是内存IC，不过从程序员的角度看，可以把它假想成每层都存储着数据的楼房，并不需要过多地关注内存IC的电源和控制信号等。因此，之后的讲解中我们同样会使用楼房图。



不过，在程序员眼里的内存模型中，还包含着物理内存中不存在的概念，那就是数据类型。编程语言中的数据类型表示存储的是河种类型的数据。从内存来看，就是占用内存大小（占有的楼层数）的意思。即使是物理上以1字节位单位来逐一读写数据的内存，在程序中。通过指定其类型（变量的数据类型等），也能实现以特定字节数为单位来进行读写。

看一个具体示例。这是一个往a、b、c这3个变量中写入数据123的C语言程序。这3个变量表示的是内存的特定区域。通过使用变量，即使不指定物理地址，也可以在程序中对内存进行读写。这是因为，在程序运行时，操作系统会自动决定变量的物理地址。

// 定义变量
char a;
short b;
long c;
// 给变量赋值
a = 123;
b = 123;
c = 123;

这3个变量的数据类型分别是，表示1字节长度的char, 表示2字节长度的short, 以及表示4字节长度的long.因此，同样是数据123，存储时其所占用的内存大小是不一样的。这里，我们假定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。

简单的指针

指针也是一种变量，它所表示的不是数据的值，而是存储着数据的内存的地址。通过使用指针，就可以对任意指定地址的数据进行读写。虽然前面所提到的假想内存IC中仅有10位地址信号（0000 0000 00 ~ ffff ffff ff）,大家现在电脑都是32位或64位。指针变量的长度也是32位或64位。

数组是搞笑使用内存的基础

数组是指多个同样数据类型的数据在内存中联系排列的形式。作为数组元素的哥哥数据会通过连续的编号被区分开来，这个编号称为索引（index）。指定索引后，就可以对该索引所对应地址的内存进行读写操作。而索引和内存地址的变换工作则是由编译器自动实现的。

栈、队列、以及环形缓冲器

栈和队列，都可以不勇敢指定地址和索引来对数组的元素进行读写。需要临时保存计算过程中的数据、连接在计算机上的设备或者输入输出的数据时，都可以通过这些方法来使用内存。如果每次保存临时数据都需指定地址和索引，程序就会变得比较麻烦，因此要加以改进。

栈 （FILO）先进后出

队列（FIFO）先进先出

环形缓冲器

队列一般是以环状缓冲区（ring buffer）的方式来实现的。例如我们要用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吧数据读出。在数组的末尾写入数据后，后一个数据就会被写入数组的起始位置（此时数据已经被读出所以该位置是空的）。这样，数组的末尾就和开头连接了起来，数据的写入和读出也就循环起来了。

链表使元素的追加和删除更容易

接下来介绍的链表和二叉查找树，都是不用考虑所以的顺序就可以对数组元素进行读写的方式。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。儿通过使用二叉查找树，则可以更加高效地对数组数据进行检索。

在数组的各个元素中，除了数据的值外，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。这样，数组元素相连就构成了念珠似的链表。由于链表末尾元素没有后续的数据，因此就需要用别的值（在这里是-1）来填充。如图

二叉查找树使数据搜索更有效

二叉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。例如，假设我们事先把50这个值保存到了数组中。那么，如果接下来的值比先前保存的数组大的话，就要将其放到右边，反正如果小的话就放到左边。但实际的内存并不会分成两个方向，这是在程序逻辑上实现的。



为了处理二叉查找树，怎么处理比较好呢？其实数组的每个元素中只要有数据的值和两个索引信息就可以了。如下图向我们展示了如何用数组来实现的二叉查找树。二叉查找树是由链表构造发展而来的表现形式，因此在追加或删除元素方面也同样是有效的。

使用二叉查找树的便利之处在于可以使数据的搜索更有效率。在使用一般的数组时，必须从数组的开通按照索引的顺序来查找目标数据。儿使用二叉查找树时，当目标数据比现在读出来的数据小时就可以转到左侧，反之目标数据较大时即可转到链表的右侧，这样就加快了找到目标数据的速度。

只要在程序开发中多花一些新宿，我们就可以熟练地使用内存。实现栈处理、链表处理、二叉查找树处理等，这一点相比大家都清楚了。不过，大家还必须理解为什么要进行这些处理。另外，请大家牢记数组是进行这些处理的基础。



答案

1.用二进制数来表示的话是0000 0000 00 ~ 1111 1111 11（用十进制数来表示就是0~1023）

2.占据内存区域的大小和存储在该区域的数据类型

3. 32位

4. 1字节

5. 栈

6. 二叉查找树（binary search tree）

解析

1. 地址信号引脚是十个时表示2的十次幂=1024个地址。

2. 例如，C语言数据类型中的short类型，它表示的就是占据2字节的内存区域，并且存储整数。

3. 指针指的是用于存储内存地址的变量。

4. 物理内存是以字节位单位进行数据存储的。

5. 栈是一种后入先出（LIFO = Last In First Out）式的数据结构。

6. 二叉查找树指的是从节点分成两个叉的数状数据结构。