程序员需要了解的硬核知识之内存(二)

简介: 我们都知道,计算机是处理数据的设备,而数据的主要存储位置就是磁盘和内存,并且对于程序员来讲,CPU 和内存是我们必须了解的两个物理结构,它是你通向高阶程序员很重要的桥梁,那么本篇文章我们就来介绍一下基本的内存知识。

内存的使用

指针

指针是 C 语言非常重要的特征,指针也是一种变量,只不过它所表示的不是数据的值,而是内存的地址。通过使用指针,可以对任意内存地址的数据进行读写。

在了解指针读写的过程前,我们先需要了解如何定义一个指针,和普通的变量不同,在定义指针时,我们通常会在变量名前加一个 * 号。例如我们可以用指针定义如下的变量

char *d; // char类型的指针 d 定义
short *e; // short类型的指针 e 定义
long *f; // long类型的指针 f 定义

我们以32位计算机为例,32位计算机的内存地址是 4 字节,在这种情况下,指针的长度也是 32 位。然而,变量 d e f 却代表了不同的字节长度,这是为什么呢?

实际上,这些数据表示的是从内存中一次读取的字节数,比如 d e f 的值都为 100,那么使用 char 类型时就能够从内存中读写 1 byte 的数据,使用 short 类型就能够从内存读写 2 字节的数据, 使用 long 就能够读写 4 字节的数据,下面是一个完整的类型字节表

类型 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


我们可以用图来描述一下这个读写过程


2227.jpg


数组是内存的实现

数组是指多个相同的数据类型在内存中连续排列的一种形式。作为数组元素的各个数据会通过下标编号来区分,这个编号也叫做索引,如此一来,就可以对指定索引的元素进行读写操作。

首先先来认识一下数组,我们还是用 char、short、long 三种元素来定义数组,数组的元素用[value] 扩起来,里面的值代表的是数组的长度,就像下面的定义

char g[100];

short h[100];
long i[100];

数组定义的数据类型,也表示一次能够读写的内存大小,char 、short 、long 分别以 1 、2 、4 个字节为例进行内存的读写。

数组是内存的实现,数组和内存的物理结构完全一致,尤其是在读写1个字节的时候,当字节数超过 1 时,只能通过逐个字节来读取,下面是内存的读写过程

27.jpg


数组是我们学习的第一个数据结构,我们都知道数组的检索效率是比较快的,至于数组的检索效率为什么这么快并不是我们这篇文章讨论的重点。

栈和队列

我们上面提到数组是内存的一种实现,使用数组能够使编程更加高效,下面我们就来认识一下其他数据结构,通过这些数据结构也可以操作内存的读写。

栈(stack)是一种很重要的数据结构,栈采用 LIFO(Last In First Out)即后入先出的方式对内存进行操作。它就像一个大的收纳箱,你可以往里面放相同类型的东西,比如书,最先放进收纳箱的书在最下面,最后放进收纳箱的书在最上面,如果你想拿书的话, 必须从最上面开始取,否则是无法取出最下面的书籍的。

栈的数据结构就是这样,你把书籍压入收纳箱的操作叫做压入(push),你把书籍从收纳箱取出的操作叫做弹出(pop),它的模型图大概是这样


28.png


入栈相当于是增加操作,出栈相当于是删除操作,只不过叫法不一样。栈和内存不同,它不需要指定元素的地址。它的大概使用如下

// 压入数据
Push(123);
Push(456);
Push(789);
// 弹出数据
j = Pop();
k = Pop();
l = Pop();

在栈中,LIFO 方式表示栈的数组中所保存的最后面的数据(Last In)会被最先读取出来(First On)。

29.jpg


队列

队列和栈很相似但又不同,相同之处在于队列也不需要指定元素的地址,不同之处在于队列是一种 先入先出(First In First Out) 的数据结构。队列在我们生活中的使用很像是我们去景区排队买票一样,第一个排队的人最先买到票,以此类推,俗话说: 先到先得。它的使用如下

// 往队列中写入数据
EnQueue(123);
EnQueue(456);
EnQueue(789);
// 从队列中读出数据
m = DeQueue();
n = DeQueue();
o = DeQueue();

向队列中写入数据称为 EnQueue()入列,从队列中读出数据称为DeQueue()

30.png

与栈相对,FIFO 的方式表示队列中最先所保存的数据会优先被读取出来。

31.jpg


队列的实现一般有两种:顺序队列循环队列,我们上面的事例使用的是顺序队列,那么下面我们看一下循环队列的实现方式


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