【Note】数据存储地常规小结

BY《程序是怎样跑起来的》

一、内存——利用电流存储（高速高价）

1. 物理机制
   内存IC=电源+地址信号(IC引脚)+数据信号(IC引脚)+控制信号(IC引脚)
   通过对内存指定地址(address)，进行数据读写。

一内存IC有m个数据引脚，n个地址引脚：
则该内存IC可存放2^n个数据，每个数据值为m位数，每个数据m/8字节。
若现需QB大的内存，则用上述内存组装，共需$\frac{Q}{2^n*\frac{m}{8}}$个。
【tips：内存有多大，表明内存可存放多少字节的数据，与地址引脚数息息相关。而若以程序员角度，还需关注变量数据类型，因不同数据类型的字节长度不同。】

2. 分类：
   （1）ROM【Read Only Memory】:只能用于读取的内存；
   （2）RAM【Random Access Memory】：可被读取和写入的内存，分为需经常刷新(refresh)以保存数据的DRAM【Dynamic RAM】，和不需刷新电路即能保存数据的SRAM【Static RAM】。

3. 数组——高效使用内存的基础
   （1）含义：数组指多个同样数据类型的数据在内存中连续排列的形式。
   （2）组内区分：通过连续的编号区分，编号又称索引(index)。
   （3）操作：指定索引后，可对该索引所对应地址的内存进行读写操作，索引和内存地址的变换工作由编译器自动实现。

注意！此处区别于CPU，CPU是通过基址寄存器和变址寄存器来指定内存地址。

（4）数组和内存物理构造一样。

4. 数据结构
   （1）栈&队列：不通过指定地址和索引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，都可用此结构使用内存，因不需指定地址和索引。
%%栈的原意是“干草堆积如山”，干草堆积成山后，最后堆的干草会被最先抽取出来。
%%队列常以环状缓冲区（ring buffer）的方式实现。

（2）链表：易插入、删除。
（3）二叉查找树：高效地对数组数据进行检索，是由链表构造发展而来的表现形式，故也易插入、删除。

Q1：高级编程语言中的数据类型表示的是什么？
A1：占据内存区域的大小和存储在该内存区域的数据类型。例如，C语言数据类型中的short类型，表示占据2字节的内存区域，并且存储整数。

Q2：在32位内存地址的环境中，指针变量的长度是多少位？
A2:32位。指针指的是用于存储内存地址的变量。

Q3：与物理内存有相同构造的数组的数据类型长度是多少？
A3：1字节。物理内存是以字节位单位进行数据存储的。

二、磁盘——利用磁效应电流存储（低速廉价）

1. 磁盘存储的程序，必须加载到内存后才能运行。
   
2. 磁盘缓存加快磁盘访问速度
   磁盘缓存【disk cache】：指把从磁盘中读出的数据存储到内存空间中的方式。此举可减少访问实际磁盘次数，因此大大改善磁盘数据访问速度。
   

缓存原理：把低速设备数据保存在高速设备中，需要时将其从高速设备中读出。
实例：Web浏览器中的使用，Web浏览器通过网络获取远程Web服务器数据并将其显示出来，对于大文件花费很多时间，故可把获取的数据暂时保存在磁盘中，后在需要时再显示磁盘数据。即把低速的网络数据保存到相对高速的磁盘中。

3. 虚拟内存(virtual memory)
   （1）含义：把磁盘一部分作为假想内存使用。

磁盘缓存：假想磁盘，实际上是内存；
虚拟内存：假想内存，实际上是磁盘。

（2）用法：因CPU只能执行加载到内存中的程序，故必须把实际内存（或称物理内存）的内容和磁盘上的虚拟内存内容进行部分置换（swap），并同时运行程序。
（3）方法：
i）分页式：Windows，不考虑程序构造下，将运行的程序按一定大小的页(page)进行分割，以页为单位在内存和磁盘间进行置换。

Page In：磁盘内容读入内存；
Page Out：内存内容写到磁盘。
page file：页文件，Windows在磁盘上提供虚拟内存用的文件，由Windows自动做成和管理，文件大小即虚拟内存大小，通常是实际内存的1~2倍容量。

ii）分段式：把要运行的程序分割成以处理集合及数据集合等为单位的段落，再以分割后的段落为单位在内存和磁盘间进行数据置换。

4. 节约内存的编程方法
   （1）通过DLL文件实现函数共有
   i）含义：DLL（Dynamic Link Library）文件，是在程序运行时可以动态加载Library（函数和数据的集合）的文件。
   ii）注意：多个应用可共有一个DLL文件，以共有达到节约内存效果。
   iii）优点：节约内存；在不变更EXE文件的情况下，只通过升级DLL文件就可更新。

Windows的os本身是多个DLL文件的集合体。

（2）调用_stdcall 减小程序文件大小
i）含义：标准调用（standard call略称）。

5. 磁盘物理结构——磁盘存储数据的形式
   （1）物理表面划分方式：扇区方式、可变长方式。

扇区方式：将磁盘划分为固定长度的空间，Windows的硬盘、软盘皆用此法；
可变长方式：把磁盘划分为长度可变的空间。

（2）扇区划分
磁道：磁盘表面分成若干个同心圆的空间；
扇区：磁道按照固定大小（能存储的数据长度相同）划分而成的空间，是对磁盘物理读写的最小单位。

Windows中使用的磁盘，一般1个扇区是512个字节。逻辑方面（软件方面）对磁盘进行读写的单位是扇区整数倍簇。磁盘容量越大，簇容量越大。软盘中，1簇=1扇区，硬盘中不然。

不管硬盘软盘，不同的文件不能存储在同一个簇中，否则会导致只有一方的文件不能被删除。因此，不管多小的文件，都会占用1簇空间。故，所有文件都会占用1簇的整数倍的磁盘空间。

若减少簇的容量，磁盘访问次数会增加，导致读写文件的时间变长。因此，若簇容量过小，磁盘的整体容量也会减少。

扇区和簇的大小，由处理速度和存储容量的平衡来决定。