【Note】數據存儲地常規小結

BY《程序是怎樣跑起來的》

一、內存——利用電流存儲（高速高價）

1. 物理機制
   內存IC=電源+地址信號(IC引腳)+數據信號(IC引腳)+控制信號(IC引腳)
   通過對內存指定地址(address)，進行數據讀寫。

一內存IC有m個數據引腳，n個地址引腳：
則該內存IC可存放2^n個數據，每個數據值爲m位數，每個數據m/8字節。
若現需QB大的內存，則用上述內存組裝，共需$\frac{Q}{2^n*\frac{m}{8}}$個。
【tips：內存有多大，表明內存可存放多少字節的數據，與地址引腳數息息相關。而若以程序員角度，還需關注變量數據類型，因不同數據類型的字節長度不同。】

2. 分類：
   （1）ROM【Read Only Memory】:只能用於讀取的內存；
   （2）RAM【Random Access Memory】：可被讀取和寫入的內存，分爲需經常刷新(refresh)以保存數據的DRAM【Dynamic RAM】，和不需刷新電路即能保存數據的SRAM【Static RAM】。

3. 數組——高效使用內存的基礎
   （1）含義：數組指多個同樣數據類型的數據在內存中連續排列的形式。
   （2）組內區分：通過連續的編號區分，編號又稱索引(index)。
   （3）操作：指定索引後，可對該索引所對應地址的內存進行讀寫操作，索引和內存地址的變換工作由編譯器自動實現。

注意！此處區別於CPU，CPU是通過基址寄存器和變址寄存器來指定內存地址。

（4）數組和內存物理構造一樣。

4. 數據結構
   （1）棧&隊列：不通過指定地址和索引對數組的元素進行讀寫。

%%需要臨時保存計算過程中的數據、連接在計算機上的設備或者輸入輸出的數據時，都可用此結構使用內存，因不需指定地址和索引。
%%棧的原意是“乾草堆積如山”，乾草堆積成山後，最後堆的乾草會被最先抽取出來。
%%隊列常以環狀緩衝區（ring buffer）的方式實現。

（2）鏈表：易插入、刪除。
（3）二叉查找樹：高效地對數組數據進行檢索，是由鏈表構造發展而來的表現形式，故也易插入、刪除。

Q1：高級編程語言中的數據類型表示的是什麼？
A1：佔據內存區域的大小和存儲在該內存區域的數據類型。例如，C語言數據類型中的short類型，表示佔據2字節的內存區域，並且存儲整數。

Q2：在32位內存地址的環境中，指針變量的長度是多少位？
A2:32位。指針指的是用於存儲內存地址的變量。

Q3：與物理內存有相同構造的數組的數據類型長度是多少？
A3：1字節。物理內存是以字節位單位進行數據存儲的。

二、磁盤——利用磁效應電流存儲（低速廉價）

1. 磁盤存儲的程序，必須加載到內存後才能運行。
   
2. 磁盤緩存加快磁盤訪問速度
   磁盤緩存【disk cache】：指把從磁盤中讀出的數據存儲到內存空間中的方式。此舉可減少訪問實際磁盤次數，因此大大改善磁盤數據訪問速度。
   

緩存原理：把低速設備數據保存在高速設備中，需要時將其從高速設備中讀出。
實例：Web瀏覽器中的使用，Web瀏覽器通過網絡獲取遠程Web服務器數據並將其顯示出來，對於大文件花費很多時間，故可把獲取的數據暫時保存在磁盤中，後在需要時再顯示磁盤數據。即把低速的網絡數據保存到相對高速的磁盤中。

3. 虛擬內存(virtual memory)
   （1）含義：把磁盤一部分作爲假想內存使用。

磁盤緩存：假想磁盤，實際上是內存；
虛擬內存：假想內存，實際上是磁盤。

（2）用法：因CPU只能執行加載到內存中的程序，故必須把實際內存（或稱物理內存）的內容和磁盤上的虛擬內存內容進行部分置換（swap），並同時運行程序。
（3）方法：
i）分頁式：Windows，不考慮程序構造下，將運行的程序按一定大小的頁(page)進行分割，以頁爲單位在內存和磁盤間進行置換。

Page In：磁盤內容讀入內存；
Page Out：內存內容寫到磁盤。
page file：頁文件，Windows在磁盤上提供虛擬內存用的文件，由Windows自動做成和管理，文件大小即虛擬內存大小，通常是實際內存的1~2倍容量。

ii）分段式：把要運行的程序分割成以處理集合及數據集合等爲單位的段落，再以分割後的段落爲單位在內存和磁盤間進行數據置換。

4. 節約內存的編程方法
   （1）通過DLL文件實現函數共有
   i）含義：DLL（Dynamic Link Library）文件，是在程序運行時可以動態加載Library（函數和數據的集合）的文件。
   ii）注意：多個應用可共有一個DLL文件，以共有達到節約內存效果。
   iii）優點：節約內存；在不變更EXE文件的情況下，只通過升級DLL文件就可更新。

Windows的os本身是多個DLL文件的集合體。

（2）調用_stdcall 減小程序文件大小
i）含義：標準調用（standard call略稱）。

5. 磁盤物理結構——磁盤存儲數據的形式
   （1）物理表面劃分方式：扇區方式、可變長方式。

扇區方式：將磁盤劃分爲固定長度的空間，Windows的硬盤、軟盤皆用此法；
可變長方式：把磁盤劃分爲長度可變的空間。

（2）扇區劃分
磁道：磁盤表面分成若干個同心圓的空間；
扇區：磁道按照固定大小（能存儲的數據長度相同）劃分而成的空間，是對磁盤物理讀寫的最小單位。

Windows中使用的磁盤，一般1個扇區是512個字節。邏輯方面（軟件方面）對磁盤進行讀寫的單位是扇區整數倍簇。磁盤容量越大，簇容量越大。軟盤中，1簇=1扇區，硬盤中不然。

不管硬盤軟盤，不同的文件不能存儲在同一個簇中，否則會導致只有一方的文件不能被刪除。因此，不管多小的文件，都會佔用1簇空間。故，所有文件都會佔用1簇的整數倍的磁盤空間。

若減少簇的容量，磁盤訪問次數會增加，導致讀寫文件的時間變長。因此，若簇容量過小，磁盤的整體容量也會減少。

扇區和簇的大小，由處理速度和存儲容量的平衡來決定。