（一）内存那些事儿：内存运行的基本原理

内存运行的基本原理

内存是计算机中用于存储数据和指令的存储单元集合，通过总线与 CPU 等部件进行数据传输和通信。

1. 内存的工作原理

存储单元：内存由许多存储单元组成，每个单元有唯一地址，就像房子有门牌号一样。这些存储单元可以存储一定量的数据，通常是 8 位、16 位、32 位或 64 位等，常见的是 8 位，即一个字节（Byte）。常见为 8 位（1 字节）。
数据传输：内存通过数据总线、地址总线和控制总线与 CPU 等部件通信。
读写过程：CPU 通过总线发送地址和长度，内存控制器读取数据并返回。

存储单元类型

DRAM：使用电容存储数据，需定期刷新，成本低，常用作主存。
SRAM：使用触发器存储数据，速度快但成本高，常用于高速缓存（Cache）。

2. 内存的作用

在计算机系统中，内存是连接 CPU 和硬盘的关键组件，对程序运行起着不可或缺的作用。

程序是指挥计算机运行的一系列有序指令集合，主要由代码段和数据段组成。

代码段：存放完成各种操作的指令，包括算术运算指令（如加、减、乘、除，实现数值计算）、逻辑判断指令（如比较大小、判断条件真假，为程序流程提供决策依据）以及流程控制指令（如循环、分支语句，决定程序执行顺序和路径）等。这些指令以二进制形式存储，是程序执行各种任务的核心逻辑。
数据段：用于存储程序运行所需数据，包括变量和常量。变量的值在程序运行时可变，用于临时存储和传递数据；常量则具有固定值，为程序提供特定参考数据。

硬盘作为非易失性存储介质，能在断电后长期保存程序和数据。但因其读写速度较慢，无法满足 CPU 快速处理数据的需求。为解决这一问题，当硬盘中存储的程序需要运行时，会将程序的一份拷贝加载到内存中。这是因为内存具备快速读写特性，可作为 CPU 与硬盘之间的高速中转站。CPU 实际操作的是加载到内存中的程序副本，它依据程序代码段，从内存读取指令和相关数据，执行各类操作，并将运算结果写回内存。若没有内存的参与，CPU 直接与硬盘交互数据，程序运行效率将因硬盘读写速度的限制而极为低下，难以满足现代计算机系统对高性能计算的要求。

因此，可以理解为内存是程序运行的必须载体。

3. 操作系统的内存管理能力

操作系统通过内存管理机制确保系统高效运行。

3.1 内存装入与链接

装入机制：程序从硬盘加载到内存
- 绝对装入：编译时确定内存位置，灵活性差。
- 可重定位装入：运行时将逻辑地址转换为物理地址，提升内存利用率。
- 动态装入：按需动态分配内存，进一步提高灵活性。
链接方式：链接是将程序各模块及所需库函数连接成完整可执行程序的过程
- 静态链接：运行前完成链接，执行速度快，但文件较大。
- 动态链接：运行时按需加载库函数，减少文件大小，提高模块复用性。

一句话，解决如何将硬盘中的程序挪到内存中，这样程序才可以去运行。

3.2 内存分配与管理

连续分配：
- 单一连续分配：简单划分为系统区和用户区，适用于单任务系统。
- 固定分区分配：将内存划分为固定大小分区，易造成内存浪费。
- 动态分区分配：根据进程需求动态分配，可能产生外部碎片。
非连续分配：
- 分页：通过页表实现逻辑页到物理页框的映射，解决内存碎片问题。
- 分段：按逻辑结构划分段，便于共享和保护，但可能产生外部碎片。
- 段页式：结合分页和分段优点，提升灵活性和效率。

一句话，解决这些问题：电脑可能会同时运行多个程序，这些程序的内存该如何分配？程序如果有动态增长的内存需求，应该怎么申请和释放内存？

3.3 内存交换与虚拟内存

内存交换：将暂时不用的内存页面转移到磁盘，释放物理内存。
虚拟内存：通过虚拟地址空间让多个进程在有限物理内存下运行，提升并发能力。

内存交换和虚拟内存是操作系统中两项重要的技术，它们协同工作，将磁盘空间作为物理内存的有效扩展，为程序运行创造了比实际物理内存更为广阔的虚拟地址空间。

所谓“内存页面”，是内存管理中的一个基本单位，操作系统将内存划分成大小固定的页面，每个页面可以存放一定量的数据或程序代码。

当系统运行过程中，物理内存资源逐渐紧张时，内存交换机制便开始发挥作用。操作系统会识别出那些暂时不被使用的内存页面，将它们从物理内存转移到磁盘上存储，从而释放出物理内存空间，以供其他急需内存的进程使用。当后续程序需要再次使用这些页面时，操作系统又会将其从磁盘重新交换回物理内存。

虚拟内存技术则在此基础上，进一步让多个进程能够在有限的物理内存条件下同时运行。例如，假设一台计算机仅有 4GB 的物理内存，但通过虚拟内存技术，系统可以为每个进程分配数 GB 甚至更大的虚拟地址空间。这使得多个进程看似都拥有足够的内存资源，极大地提高了系统的并发处理能力，有效突破了物理内存不足对程序运行数量和规模的限制。

一句话，内存不够用了，如何将硬盘当内存使用。

3.4 高级功能与优化

内存保护：防止非法访问，确保系统稳定性。
高速缓存管理：通过多级缓存（如 L1、L2、L3）提升内存访问速度。
内存碎片整理：通过紧凑技术合并分散的空闲内存，提升利用率。
共享内存：允许进程共享内存区域，需同步机制保障访问安全。
内存映射：将文件映射到内存，支持高效文件访问和进程间通信。

小结

内存是 CPU 和硬盘之间的高速缓冲，通过操作系统的内存管理机制，确保程序高效运行，满足现代计算机对高性能和多任务处理的需求。