我們都知道，計算機是處理數據的設備，而數據的主要存儲位置就是磁盤和內存，並且對於程序員來講，CPU 和內存是我們必須了解的兩個物理結構，它是你通向高階程序員很重要的橋梁，那么本篇文章我們就來介紹一下基本的內存知識。
什么是內存
內存（Memory）是計算機中最重要的部件之一，它是程序與CPU進行溝通的橋梁。計算機中所有程序的運行都是在內存中進行的，因此內存對計算機的影響非常大，內存又被稱為主存，其作用是存放 CPU 中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲設備交換的數據。只要計算機在運行中，CPU 就會把需要運算的數據調到主存中進行運算，當運算完成后CPU再將結果傳送出來，主存的運行也決定了計算機的穩定運行。
內存的物理結構
在了解一個事物之前，你首先得先需要見過它，你才會有印象，才會有想要了解的興趣，所以我們首先需要先看一下什么是內存以及它的物理結構是怎樣的。
內存的內部是由各種IC電路組成的，它的種類很龐大，但是其主要分為三種存儲器
- 隨機存儲器（RAM）： 內存中最重要的一種，表示既可以從中讀取數據，也可以寫入數據。當機器關閉時，內存中的信息會
丟失。 - 只讀存儲器（ROM）：ROM 一般只能用於數據的讀取，不能寫入數據，但是當機器停電時，這些數據不會丟失。
- 高速緩存（Cache）：Cache 也是我們經常見到的，它分為一級緩存（L1 Cache）、二級緩存（L2 Cache）、三級緩存（L3 Cache）這些數據，它位於內存和 CPU 之間，是一個讀寫速度比內存
更快的存儲器。當 CPU 向內存寫入數據時，這些數據也會被寫入高速緩存中。當 CPU 需要讀取數據時，會直接從高速緩存中直接讀取，當然，如需要的數據在Cache中沒有，CPU會再去讀取內存中的數據。
內存 IC 是一個完整的結構，它內部也有電源、地址信號、數據信號、控制信號和用於尋址的 IC 引腳來進行數據的讀寫。下面是一個虛擬的 IC 引腳示意圖
圖中 VCC 和 GND 表示電源，A0 - A9 是地址信號的引腳，D0 - D7 表示的是數據信號、RD 和 WR 都是控制信號，我用不同的顏色進行了區分，將電源連接到 VCC 和 GND 后，就可以對其他引腳傳遞 0 和 1 的信號，大多數情況下，+5V 表示1，0V 表示 0。
我們都知道內存是用來存儲數據，那么這個內存 IC 中能存儲多少數據呢？D0 - D7 表示的是數據信號，也就是說，一次可以輸入輸出 8 bit = 1 byte 的數據。A0 - A9 是地址信號共十個，表示可以指定 00000 00000 - 11111 11111 共 2 的 10次方 = 1024個地址。每個地址都會存放 1 byte 的數據，因此我們可以得出內存 IC 的容量就是 1 KB。
如果我們使用的是 512 MB 的內存，這就相當於是 512000（512 * 1000） 個內存 IC。當然，一台計算機不太可能有這么多個內存 IC ，然而，通常情況下，一個內存 IC 會有更多的引腳，也就能存儲更多數據。
內存的讀寫過程
讓我們把關注點放在內存 IC 對數據的讀寫過程上來吧！我們來看一個對內存IC 進行數據寫入和讀取的模型
來詳細描述一下這個過程，假設我們要向內存 IC 中寫入 1byte 的數據的話，它的過程是這樣的：
- 首先給 VCC 接通 +5V 的電源，給 GND 接通 0V 的電源，使用
A0 - A9來指定數據的存儲場所，然后再把數據的值輸入給D0 - D7的數據信號，並把WR（write）的值置為 1，執行完這些操作后，即可以向內存 IC 寫入數據 - 讀出數據時，只需要通過 A0 - A9 的地址信號指定數據的存儲場所，然后再將 RD 的值置為 1 即可。
- 圖中的 RD 和 WR 又被稱為控制信號。其中當WR 和 RD 都為 0 時，無法進行寫入和讀取操作。
內存的現實模型
為了便於記憶，我們把內存模型映射成為我們現實世界的模型，在現實世界中，內存的模型很想我們生活的樓房。在這個樓房中，1層可以存儲一個字節的數據，樓層號就是地址，下面是內存和樓層整合的模型圖
我們知道，程序中的數據不僅只有數值，還有數據類型的概念，從內存上來看，就是占用內存大小（占用樓層數）的意思。即使物理上強制以 1 個字節為單位來逐一讀寫數據的內存，在程序中，通過指定其數據類型，也能實現以特定字節數為單位來進行讀寫。
下面是一個以特定字節數為例來讀寫指令字節的程序的示例
// 定義變量
char a;
short b;
long c;
// 變量賦值
a = 123;
b = 123;
c = 123;
我們分別聲明了三個變量 a,b,c ，並給每個變量賦上了相同的 123，這三個變量表示內存的特定區域。通過變量，即使不指定物理地址，也可以直接完成讀寫操作，操作系統會自動為變量分配內存地址。
這三個變量分別表示 1 個字節長度的 char，2 個字節長度的 short，表示4 個字節的 long。因此，雖然數據都表示的是 123，但是其存儲時所占的內存大小是不一樣的。如下所示
這里的 123 都沒有超過每個類型的最大長度，所以 short 和 long 類型為所占用的其他內存空間分配的數值是0，這里我們采用的是低字節序列的方式存儲
低字節序列：將數據低位存儲在內存低位地址。
高字節序列：將數據的高位存儲在內存地位的方式稱為高字節序列。
內存的使用
指針
指針是 C 語言非常重要的特征，指針也是一種變量，只不過它所表示的不是數據的值，而是內存的地址。通過使用指針，可以對任意內存地址的數據進行讀寫。
在了解指針讀寫的過程前，我們先需要了解如何定義一個指針，和普通的變量不同，在定義指針時，我們通常會在變量名前加一個 * 號。例如我們可以用指針定義如下的變量
char *d; // char類型的指針 d 定義
short *e; // short類型的指針 e 定義
long *f; // long類型的指針 f 定義
我們以32位計算機為例，32位計算機的內存地址是 4 字節，在這種情況下，指針的長度也是 32 位。然而，變量 d e f 卻代表了不同的字節長度，這是為什么呢？
實際上，這些數據表示的是從內存中一次讀取的字節數，比如 d e f 的值都為 100，那么使用 char 類型時就能夠從內存中讀寫 1 byte 的數據，使用 short 類型就能夠從內存讀寫 2 字節的數據， 使用 long 就能夠讀寫 4 字節的數據，下面是一個完整的類型字節表
| 類型 | 32位 | 64位 |
|---|---|---|
| char | 1 | 1 |
| short int | 2 | 2 |
| int | 4 | 4 |
| unsigned int | 4 | 4 |
| float | 4 | 4 |
| double | 8 | 8 |
| long | 4 | 8 |
| long long | 8 | 8 |
| unsigned long | 4 | 8 |
我們可以用圖來描述一下這個讀寫過程
數組是內存的實現
數組是指多個相同的數據類型在內存中連續排列的一種形式。作為數組元素的各個數據會通過下標編號來區分，這個編號也叫做索引，如此一來，就可以對指定索引的元素進行讀寫操作。
首先先來認識一下數組，我們還是用 char、short、long 三種元素來定義數組，數組的元素用[value] 擴起來，里面的值代表的是數組的長度，就像下面的定義
char g[100];
short h[100];
long i[100];
數組定義的數據類型，也表示一次能夠讀寫的內存大小，char 、short 、long 分別以 1 、2 、4 個字節為例進行內存的讀寫。
數組是內存的實現，數組和內存的物理結構完全一致，尤其是在讀寫1個字節的時候，當字節數超過 1 時，只能通過逐個字節來讀取，下面是內存的讀寫過程
數組是我們學習的第一個數據結構，我們都知道數組的檢索效率是比較快的，至於數組的檢索效率為什么這么快並不是我們這篇文章討論的重點。
棧和隊列
我們上面提到數組是內存的一種實現，使用數組能夠使編程更加高效，下面我們就來認識一下其他數據結構，通過這些數據結構也可以操作內存的讀寫。
棧
棧（stack）是一種很重要的數據結構，棧采用 LIFO（Last In First Out）即后入先出的方式對內存進行操作。它就像一個大的收納箱，你可以往里面放相同類型的東西，比如書，最先放進收納箱的書在最下面，最后放進收納箱的書在最上面，如果你想拿書的話， 必須從最上面開始取，否則是無法取出最下面的書籍的。
棧的數據結構就是這樣，你把書籍壓入收納箱的操作叫做壓入（push），你把書籍從收納箱取出的操作叫做彈出（pop），它的模型圖大概是這樣
入棧相當於是增加操作，出棧相當於是刪除操作，只不過叫法不一樣。棧和內存不同，它不需要指定元素的地址。它的大概使用如下
// 壓入數據
Push(123);
Push(456);
Push(789);
// 彈出數據
j = Pop();
k = Pop();
l = Pop();
在棧中，LIFO 方式表示棧的數組中所保存的最后面的數據（Last In）會被最先讀取出來（First On）。
隊列
隊列和棧很相似但又不同，相同之處在於隊列也不需要指定元素的地址，不同之處在於隊列是一種 先入先出(First In First Out) 的數據結構。隊列在我們生活中的使用很像是我們去景區排隊買票一樣，第一個排隊的人最先買到票，以此類推，俗話說: 先到先得。它的使用如下
// 往隊列中寫入數據
EnQueue(123);
EnQueue(456);
EnQueue(789);
// 從隊列中讀出數據
m = DeQueue();
n = DeQueue();
o = DeQueue();
向隊列中寫入數據稱為 EnQueue()入列，從隊列中讀出數據稱為DeQueue()。
與棧相對，FIFO 的方式表示隊列中最先所保存的數據會優先被讀取出來。
隊列的實現一般有兩種：順序隊列 和 循環隊列，我們上面的事例使用的是順序隊列，那么下面我們看一下循環隊列的實現方式
環形緩沖區
循環隊列一般是以環狀緩沖區(ring buffer)的方式實現的，它是一種用於表示一個固定尺寸、頭尾相連的緩沖區的數據結構，適合緩存數據流。假如我們要用 6 個元素的數組來實現一個環形緩沖區，這時可以從起始位置開始有序的存儲數據，然后再按照存儲時的順序把數據讀出。在數組的末尾寫入數據后，后一個數據就會從緩沖區的頭開始寫。這樣，數組的末尾和開頭就連接了起來。
鏈表
下面我們來介紹一下鏈表和 二叉樹，它們都是可以不用考慮索引的順序就可以對元素進行讀寫的方式。通過使用鏈表，可以高效的對數據元素進行添加 和 刪除操作。而通過使用二叉樹，則可以更高效的對數據進行檢索。
在實現數組的基礎上，除了數據的值之外，通過為其附帶上下一個元素的索引，即可實現鏈表。數據的值和下一個元素的地址（索引）就構成了一個鏈表元素，如下所示
對鏈表的添加和刪除都是非常高效的，我們來敘述一下這個添加和刪除的過程，假如我們要刪除地址為 p[2] 的元素，鏈表該如何變化呢？
我們可以看到，刪除地址為 p[2] 的元素后，直接將鏈表剔除，並把 p[2] 前一個位置的元素 p[1] 的指針域指向 p[2] 下一個鏈表元素的數據區即可。
那么對於新添加進來的鏈表，需要確定插入位置，比如要在 p[2] 和 p[3] 之間插入地址為 p[6] 的元素，需要將 p[6] 的前一個位置 p[2] 的指針域改為 p[6] 的地址，然后將 p[6] 的指針域改為 p[3] 的地址即可。
鏈表的添加不涉及到數據的移動，所以鏈表的添加和刪除很快，而數組的添加設計到數據的移動，所以比較慢，通常情況下，使用數組來檢索數據，使用鏈表來進行添加和刪除操作。
二叉樹
二叉樹也是一種檢索效率非常高的數據結構，二叉樹是指在鏈表的基礎上往數組追加元素時，考慮到數組的大小關系，將其分成左右兩個方向的表現形式。假如我們把 50 這個值保存到了數組中，那么，如果接下來要進行值寫入的話，就需要和50比較，確定誰大誰小，比50數值大的放右邊，小的放左邊，下圖是二叉樹的比較示例
二叉樹是由鏈表發展而來，因此二叉樹在追加和刪除元素方面也是同樣有效的。
這一切的演變都是以內存為基礎的。
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文章參考：
https://www.computerhope.com/jargon/m/memory.htm
https://baike.baidu.com/item/隊列/14580481?fr=aladdin
https://baike.baidu.com/item/棧/12808149?fr=aladdin
https://baike.baidu.com/item/環形緩沖器/22701730?fr=aladdin
《程序是怎樣跑起來的》第四章