计算机数据的存储与程序的加载原理

Posted 2022-04-11 Neutionwei

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。

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。

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。

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一般情况下不一一使用每个元器件，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。

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现在就知道1GB的内存有多少个元器件。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

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平时所使用的计算机，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。

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。因此，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。

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那么程序是如何加载到内存的呢？

假设你的电脑上安装了QQ，你希望和好友聊天，会双击QQ图标，输入账号和密码，然后进行登录。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。因此，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，你编辑完Word文档忘记保存就关机，那么你将永远无法找回这些内容。

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。此时，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，建议升级内存。

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。