怎么学编程基础入门(关于程序运行时内存与硬盘的关系介绍)

责任编辑:电脑技术交流网 发布时间:2023-08-29 16:09
一、关于程序运行时内存与硬盘的关系介绍

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?

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 下运行软件就会比较流畅了。

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

二、数据在内存中的存储方式

计算机要处理的信息是多种多样的,如十进制数、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、00000000、01010101、10101010 来表示 C、语、言、中、文、网 这几个字,那么结合起来 1101000 00011100 11111111 00000000 01010101 10101010 就表示”C 语言中文网“。

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:

8 Bit = 1Byte1024Byte = 1KB1024KB = 1MB1024MB = 1GB1024GB = 1TB

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。三、ASCII 与 Unicode 编码

这是经常容易混淆的一个点。

ASCII 码

我们知道,一个二进制位(Bit)有 0、1 两种状态,一个字节(Byte)有 8 个二进制位,有 256 种状态,每种状态对应一个符号,就是 256 个符号,从 0000000 到 11111111。

计算机诞生于美国,早期的计算机使用者大多使用英文,上世纪 60 年代,美国制定了一套英文字符与二进制位的对应关系,称为 ASCII 码,沿用至今。

ASCII 码规定了 128 个英文字符与二进制的对应关系,占用一个字节(实际上只占用了一个字节的后面 7 位,最前面 1 位统一规定为 0)。例如,字母 a 的的 ASCII 码为 01100001,那么你暂时可以理解为字母 a 存储到内存之前会被转换为 01100001,读取时遇到 01100001 也会转换为 a。

完整的 ASCII 码表请查看:http://www.asciima.com/

Unicode 编码

随着计算机的流行,使用计算机的人越来越多,不仅限于美国,整个世界都在使用,这个时候 ASCII 编码的问题就凸现出来了。

ASCII 编码只占用 1 个字节,最多只能表示 256 个字符,我大中华区 10 万汉字怎么表示,日语韩语拉丁语怎么表示?所以 90 年代又制定了一套新的规范,将全世界范围内的字符统一使用一种方式在计算机中表示,这就是 Unicode 编码(Unique Code),也称统一码、万国码。

Unicode 是一个很大的集合,现在的规模可以容纳 100 多万个符号,每个符号的对应的二进制都不一样。Unicode 规定可以使用多个字节表示一个字符,例如 a 的编码为 01100001,一个字节就够了,”好“的编码为 01011001 01111101,需要两个字节。

为了兼容 ASCII,Unicode 规定前 0~127 个字符与 ASCII 是一样的,不一样的只是 128~255 的这一段。

如果你希望将字符转换为 Unicode 编码,请查看:http://tool.chinaz.com/Tools/Unicode.aspx

完整的 Unicode 编码请查看:unicode.org

摘抄的过程也是学习记录笔记的过程,大家共同学习,谨记:不会编程也是文盲一个。

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