溫馨提示×
您好，登錄后才能下訂單哦！
點擊 登錄注冊 即表示同意《億速云用戶服務(wù)條款》
您好，登錄后才能下訂單哦！
計算機為什么需要編程？編程已經(jīng)編了很多年，已經(jīng)寫了很多程序，為什么還需要另外寫程序？計算機有這個新的程序到底為了什么？
程序的目的是為了去運行，程序運行是為了得到一定的結(jié)果。計算機就是用來計算的，所有的計算機程序其實都是在做計算。計算就是在計算數(shù)據(jù)。所以計算機程序中很重要的部分就是數(shù)據(jù)。
計算機程序 = 代碼 + 數(shù)據(jù) 計算機程序運行完得到一個結(jié)果，就是說
代碼 + 數(shù)據(jù) (經(jīng)過運行后) = 結(jié)果
從宏觀上來理解，代碼就是動作，就是加工數(shù)據(jù)的動作；數(shù)據(jù)就是數(shù)字，就是被代碼所加工的東西。
那么可以得出結(jié)論：程序運行的目的不外乎2個：結(jié)果、過程
用函數(shù)來類比：函數(shù)的形參就是待加工的數(shù)據(jù)（函數(shù)內(nèi)還需要一些臨時數(shù)據(jù)，就是局部變量），函數(shù)本體就是代碼，函數(shù)的返回值就是結(jié)果，函數(shù)體的執(zhí)行過程就是過程。
int add(int a, int b)
{
return a + b;
} // 這個函數(shù)的執(zhí)行就是為了得到結(jié)果
void add(int a, int b)
{
int c;
c = a + b;
printf("c = %d.\n", c);
} // 這個函數(shù)的執(zhí)行重在過程（重在過程中的printf），返回值不需要
int add(int a, int b)
{
int c;
c = a + b;
printf("c = %d.\n", c);
return c;
} // 這個函數(shù)又重結(jié)果又重過程 計算機程序的運行過程，其實就是程序中很多個函數(shù)相繼運行的過程。程序是由很多個函數(shù)組成的，程序的本質(zhì)就是函數(shù)，函數(shù)的本質(zhì)是加工數(shù)據(jù)的動作，動作的操作對象是數(shù)據(jù)。
DRAM是動態(tài)內(nèi)存，SRAM是靜態(tài)內(nèi)存。詳細(xì)細(xì)節(jié)自己baidu
內(nèi)存是用來存儲可變數(shù)據(jù)的，數(shù)據(jù)在程序中表現(xiàn)為全局變量、局部變量等（在gcc中，其實常量也是存儲在內(nèi)存中的）（大部分單片機中，常量是存儲在flash中的，也就是在代碼段），對我們寫程序來說非常重要，對程序運行更是本質(zhì)相關(guān)。
所以內(nèi)存對程序來說幾乎是本質(zhì)需求。越簡單的程序需要越少的內(nèi)存，而越龐大越復(fù)雜的程序需要更多的內(nèi)存。內(nèi)存管理是我們寫程序時很重要的話題。我們以前學(xué)過的了解過的很多編程的關(guān)鍵其實都是為了內(nèi)存，譬如說數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是研究數(shù)據(jù)如何組織的，數(shù)據(jù)是放在內(nèi)存中的）和算法（算法是為了用更優(yōu)秀更有效的方法來加工數(shù)據(jù)，既然跟數(shù)據(jù)有關(guān)就離不開內(nèi)存）。
對于計算機來說，內(nèi)存容量越大則可能性越大，所以大家都希望自己的電腦內(nèi)存更大。我們寫程序時如何管理內(nèi)存就成了很大的問題。如果管理不善，可能會造成程序運行消耗過多的內(nèi)存，這樣遲早內(nèi)存都被你這個程序吃光了，當(dāng)沒有內(nèi)存可用時程序就會崩潰。所以內(nèi)存對程序來說是一種資源，所以管理內(nèi)存對程序來說是一個重要技術(shù)和話題。
沒有操作系統(tǒng)時：在沒有操作系統(tǒng)（其實就是裸機程序）中，程序需要直接操作內(nèi)存，編程者需要自己計算內(nèi)存的使用和安排。如果編程者不小心把內(nèi)存用錯了，錯誤結(jié)果需要自己承擔(dān)
從操作系統(tǒng)角度講：
操作系統(tǒng)掌握所有的硬件內(nèi)存，因為內(nèi)存很大，所以操作系統(tǒng)把內(nèi)存分成1個1個的頁面（其實就是一塊，一般是4KB），然后以頁面為單位來管理。頁面內(nèi)用更細(xì)小的方式來以字節(jié)為單位管理。操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的原理非常麻煩、非常復(fù)雜、非常不人性化。那么對我們這些使用操作系統(tǒng)的人來說，其實不需要了解這些細(xì)節(jié)。操作系統(tǒng)給我們提供了內(nèi)存管理的一些接口，我們只需要用API即可管理內(nèi)存。
譬如：在C語言中使用malloc free這些接口來管理內(nèi)存。
再從語言角度來講：不同的語言提供了不同的操作內(nèi)存的接口。
譬如：
從邏輯角度來講，內(nèi)存實際上是由無限多個內(nèi)存單元格組成的，每個單元格有一個固定的地址叫內(nèi)存地址，這個內(nèi)存地址和這個內(nèi)存單元格唯一對應(yīng)且永久綁定。
以大樓來類比內(nèi)存是最合適的。邏輯上的內(nèi)存就好象是一棟無限大的大樓，內(nèi)存的單元格就好象大樓中的一個個小房間。每個內(nèi)存單元格的地址就好象每個小房間的房間號。內(nèi)存中存儲的內(nèi)容就好象住在房間中的人一樣。
邏輯上來說，內(nèi)存可以有無限大（因為數(shù)學(xué)上編號永遠(yuǎn)可以增加，無盡頭）。但是現(xiàn)實中實際的內(nèi)存大小是有限制的，譬如32位的系統(tǒng)（32位系統(tǒng)指的是32位數(shù)據(jù)線，但是一般地址線也是32位，這個地址線32位決定了內(nèi)存地址只能有32位二進(jìn)制，所以邏輯上的大小為2的32次方）內(nèi)存限制就為4G。實際上32位的系統(tǒng)中可用的內(nèi)存是小于等于4G的（譬如我32位CPU裝32位windows，但實際電腦只有512M內(nèi)存）
內(nèi)存單元的大小單位有4個：位（1bit） 字節(jié)（8bit） 半字（一般是16bit） 字（一般是32bit）
在所有的計算機、所有的機器中（不管是32位系統(tǒng)還是16位系統(tǒng)還是以后的64位系統(tǒng)），位永遠(yuǎn)都是1bit，字節(jié)永遠(yuǎn)都是8bit。
歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過16位系統(tǒng)、32位系統(tǒng)、64位系統(tǒng)三種，而且操作系統(tǒng)還有windows、linux、iOS等很多，所以很多的概念在歷史上曾經(jīng)被混亂的定義過。
建議大家對字、半字、雙字這些概念不要詳細(xì)區(qū)分，只要知道這些單位具體有多少位是依賴于平臺的。實際工作中在每種平臺上先去搞清楚這個平臺的定義（字是多少位，半字永遠(yuǎn)是字的一半，雙字永遠(yuǎn)是字的2倍大?。?。
編程時一般根本用不到字這個概念，那我們區(qū)分這個概念主要是因為有些文檔中會用到這些概念，如果不加區(qū)別可能會造成你對程序的誤解。
在linux+ARM這個軟硬件平臺上，字是32位的。
A. 內(nèi)存在邏輯上就是一個一個的格子，這些格子可以用來裝東西（里面裝的東西就是內(nèi)存中存儲的數(shù)），每個格子有一個編號，這個編號就是內(nèi)存地址，這個內(nèi)存地址（一個數(shù)字）和這個格子的空間（實質(zhì)是一個空間）是一一對應(yīng)且永久綁定的。這就是內(nèi)存的編址方法。
B. 在程序運行時，計算機中CPU實際只認(rèn)識內(nèi)存地址，而不關(guān)心這個地址所代表的空間在哪里，怎么分布這些實體問題。因為硬件設(shè)計保證了按照這個地址就一定能找到這個格子，所以說內(nèi)存單元的2個概念：地址和空間是內(nèi)存單元的兩個方面。
我隨便給一個數(shù)字（譬如說7），然后說這個數(shù)字是一個內(nèi)存地址，然后問你這個內(nèi)存地址對應(yīng)的空間多大？這個大小是固定式，就是一個字節(jié)（8bit）。
如果把內(nèi)存比喻位一棟大樓，那么這個樓里面的一個一個房間就是一個一個內(nèi)存格子，這個格子的大小是固定的8bit，就好象這個大樓里面所有的房間戶型是一樣的。
C語言中的基本數(shù)據(jù)類型有：char short int long float double
int×××（整數(shù)類型，這個整就體現(xiàn)在它和CPU本身的數(shù)據(jù)位寬是一樣的）譬如32位的CPU，×××就是32位，int就是32位。
數(shù)據(jù)類型和內(nèi)存的關(guān)系就在于：
數(shù)據(jù)類型是用來定義變量的，而這些變量需要存儲、運算在內(nèi)存中。所以數(shù)據(jù)類型必須和內(nèi)存相匹配才能獲得最好的性能，否則可能不工作或者效率低下。
在32位系統(tǒng)中定義變量最好用int，因為這樣效率高。原因就在于32位的系統(tǒng)本身配合內(nèi)存等也是32位，這樣的硬件配置天生適合定義32位的int類型變量，效率最高。也能定義8位的char類型變量或者16位的short類型變量，但是實際上訪問效率不高。
在很多32位環(huán)境下，我們實際定義bool類型變量（實際只需要1個bit就夠了）都是用int來實現(xiàn)bool的。也就是說我們定義一個bool b1;時，編譯器實際幫我們分配了32位的內(nèi)存來存儲這個bool變量b1。編譯器這么做實際上浪費了31位的內(nèi)存，但是好處是效率高。
問題：實際編程時要以省內(nèi)存為大還是要以運行效率為重？答案是不定的，看具體情況。很多年前內(nèi)存很貴機器上內(nèi)存都很少，那時候?qū)懘a以省內(nèi)存為主?，F(xiàn)在隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展內(nèi)存變得很便宜了，現(xiàn)在的機器都是高配，不在乎省一點內(nèi)存，而效率和用戶體驗變成了關(guān)鍵。所以現(xiàn)在寫程序大部分都是以效率為重。
們在C中int a;定義一個int類型變量，在內(nèi)存中就必須分配4個字節(jié)來存儲這個a。有這么2種不同內(nèi)存分配思路和策略:
第二種：1 2 3 4 或者 2 3 4 5 或者 3 4 5 6 非對齊訪問
內(nèi)存的對齊訪問不是邏輯的問題，是硬件的問題。從硬件角度來說，32位的內(nèi)存它 0 1 2 3四個單元本身邏輯上就有相關(guān)性，這4個字節(jié)組合起來當(dāng)作一個int硬件上就是合適的，效率就高。
對齊訪問很配合硬件，所以效率很高；非對齊訪問因為和硬件本身不搭配，所以效率不高。（因為兼容性的問題，一般硬件也都提供非對齊訪問，但是效率要低很多。）
數(shù)組元素的變量名即就是數(shù)組的首地址（起始的第一個字節(jié)），首元素（起始的四字節(jié)）
（用變量名來訪問內(nèi)存、數(shù)據(jù)類型的含義、函數(shù)名的含義）
譬如在C語言中 int a; a = 5; a += 4; // a == 9;
結(jié)合內(nèi)存來解析C語言語句的本質(zhì)：
int a; // 編譯器幫我們申請了1個int類型的內(nèi)存格子（長度是4字節(jié)，地址是確定的，但是只有編譯器知道，我們是不知道的，也不需要知道。），并且把符號a和這個格子綁定。
a = 5; // 編譯器發(fā)現(xiàn)我們要給a賦值，就會把這個值5丟到符號a綁定的那個內(nèi)存格子中。
a += 4; // 編譯器發(fā)現(xiàn)我們要給a加值，a += 4 等效于 a = a + 4;編譯器會先把a原來的值讀出來，然后給這個值加4，再把加之后的和寫入a里面去。
C語言中數(shù)據(jù)類型的本質(zhì)含義是：表示一個內(nèi)存格子的長度和解析方法。
數(shù)據(jù)類型決定長度的含義：我們一個內(nèi)存地址（0x30000000），本來這個地址只代表1個字節(jié)的長度，但是實際上我們可以通過給他一個類型(int)，讓他有了長度(4)，這樣這個代表內(nèi)存地址的數(shù)字(0x30000000)就能表示從這個數(shù)字(0x30000000)開頭的連續(xù)的n(4)個字節(jié)的內(nèi)存格子了(0x30000000 + 0x30000001 + 0x30000002 + 0x30000003)。
數(shù)據(jù)類型決定解析方法的含義：譬如我有一個內(nèi)存地址（0x30000000），我們可以通過給這個內(nèi)存地址不同的類型來指定這個內(nèi)存單元格子中二進(jìn)制數(shù)的解析方法（即讀取方法，譬如int類型就要按照int來讀和?。?。譬如我 (int)0x30000000，含義就是(0x30000000 + 0x30000001 + 0x30000002 + 0x30000003)這4個字節(jié)連起來共同存儲的是一個int型數(shù)據(jù)；那么我(float)0x30000000，含義就是(0x30000000 + 0x30000001 + 0x30000002 + 0x30000003)這4個字節(jié)連起來共同存儲的是一個float型數(shù)據(jù)；
之前講過一個很重要的概念：內(nèi)存單元格子的編址單位是字節(jié)。
(int *)0;
(float *)0;
(short)0;
(char)0;
int a; // int a;時編譯器會自動給a分配一個內(nèi)存地址，譬如說是0x12345678
(int *)a; // 等價于(int *)0x12345678
(float *)a;C語言中，函數(shù)就是一段代碼的封裝。函數(shù)名的實質(zhì)就是這一段代碼的首地址。所以說函數(shù)名的本質(zhì)也是一個內(nèi)存地址。
關(guān)于類型（不管是普通變量類型int float等，還是指針類型int float 等），只要記?。?br/>類型只是對后面數(shù)字或者符號（代表的是內(nèi)存地址）所表征的內(nèi)存的一種長度規(guī)定和解析方法規(guī)定而已。
C語言中的指針，全名叫指針變量，指針變量其實很普通變量沒有任何區(qū)別。譬如int a和int p其實沒有任何區(qū)別，a和p都代表一個內(nèi)存地址（譬如是0x20000000），但是這個內(nèi)存地址（0x20000000）的長度和解析方法不同。a是int型所以a的長度是4字節(jié)，解析方法是按照int的規(guī)定來的；p是int 類型，所以長度是4字節(jié)，解析方法是int *的規(guī)定來的（0x20000000開頭的連續(xù)4字節(jié)中存儲了1個地址，這個地址所代表的內(nèi)存單元中存放的是一個int類型的數(shù)）。
數(shù)組管理內(nèi)存和變量其實沒有本質(zhì)區(qū)別，只是符號的解析方法不同。（普通變量、數(shù)組、指針變量其實都沒有本質(zhì)差別，都是對內(nèi)存地址的解析，只是解析方法不一樣）。
int a; // 編譯器分配4字節(jié)長度給a，并且把首地址和符號a綁定起來。
int b[10]; // 編譯器分配40個字節(jié)長度給b，并且把首元素首地址和符號b綁定起來。
數(shù)組中第一個元素（a[0]）就稱為首元素；每一個元素類型都是int，所以長度都是4，其中第一個字節(jié)的地址就稱為首地址；首元素a[0]的首地址就稱為首元素首地址。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是研究數(shù)據(jù)如何組織（在內(nèi)存中排布），如何加工的學(xué)問。
為什么要有數(shù)組？因為程序中有好多個類型相同、意義相關(guān)的變量需要管理，這時候如果用單獨的變量來做程序看起來比較亂，用數(shù)組來管理會更好管理。
譬如 int ages[20];
優(yōu)勢：數(shù)組比較簡單，訪問用下標(biāo)，可以隨機訪問。
缺陷：1 數(shù)組中所有元素類型必須相同；2 數(shù)組大小必須定義時給出，而且一旦確定不能再改。
結(jié)構(gòu)體發(fā)明出來就是為了解決數(shù)組的第一個缺陷：數(shù)組中所有元素類型必須相同
我們要管理3個學(xué)生的年齡（int類型），怎么辦？
第一種解法：用數(shù)組 int ages[3];
第二種解法：用結(jié)構(gòu)體
struct ages
{
int age1;
int age2;
int age3;
};
struct ages age;分析總結(jié)：在這個示例中，數(shù)組要比結(jié)構(gòu)體好。但是不能得出結(jié)論說數(shù)組就比結(jié)構(gòu)體好，在包中元素類型不同時就只能用結(jié)構(gòu)體而不能用數(shù)組了。
struct people
{
int age; // 人的年齡
char name[20]; // 人的姓名
int height; // 人的身高
};因為people的各個元素類型不完全相同，所以必須用結(jié)構(gòu)體，沒法用數(shù)組。面向過程與面向?qū)ο蟆?/p>
struct s
{
int age; // 普通變量
void (*pFunc)(void); // 函數(shù)指針，指向 void func(void)這類的函數(shù)
};使用這樣的結(jié)構(gòu)體就可以實現(xiàn)面向?qū)ο蟆?br/>這樣包含了函數(shù)指針的結(jié)構(gòu)體就類似于面向?qū)ο笾械腸lass，結(jié)構(gòu)體中的變量類似于class中的成員變量，結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)指針類似于class中的成員方法。
棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，C語言中使用棧來保存局部變量。棧是被發(fā)明出來管理內(nèi)存的。
C語言中的局部變量是用棧來實現(xiàn)的。
我們在C中定義一個局部變量時（int a），編譯器會在棧中分配一段空間（4字節(jié)）給這個局部變量用（分配時棧頂指針會移動給出空間，給局部變量a用的意思就是，將這4字節(jié)的棧內(nèi)存的內(nèi)存地址和我們定義的局部變量名a給關(guān)聯(lián)起來），對應(yīng)棧的操作是入棧。
注意：這里棧指針的移動和內(nèi)存分配是自動的（棧自己完成，不用我們寫代碼去操作）。
然后等我們函數(shù)退出的時候，局部變量要滅亡。對應(yīng)棧的操作是彈棧（出棧）。出棧時也是棧頂指針移動將?？臻g中與a關(guān)聯(lián)的那4個字節(jié)空間釋放。這個動作也是自動的，也不用人寫代碼干預(yù)。
棧的優(yōu)點：棧管理內(nèi)存，好處是方便，分配和最后回收都不用程序員操心，C語言自動完成。
分析一個細(xì)節(jié)：C語言中，定義局部變量時如果未初始化，則值是隨機的，為什么？
定義局部變量，其實就是在棧中通過移動棧指針來給程序提供一個內(nèi)存空間和這個局部變量名綁定。因為這段內(nèi)存空間在棧上，而棧內(nèi)存是反復(fù)使用的（臟的，上次用完沒清零的），所以說使用棧來實現(xiàn)的局部變量定義時如果不顯式初始化，值就是臟的，是隨機的。
如果你顯式初始化怎么樣？
C語言是通過一個小手段來實現(xiàn)局部變量的初始化的。
int a = 15; // 局部變量定義時初始化
C語言編譯器會自動把這行轉(zhuǎn)成：
int a; // 局部變量定義
a = 15; // 普通的賦值語句
首先，棧是有大小的。所以棧內(nèi)存大小不好設(shè)置。如果太小怕溢出，太大怕浪費內(nèi)存。（這個缺點有點像數(shù)組）
其次，棧的溢出危害很大，一定要避免。所以我們在C語言中定義局部變量時不能定義太多或者太大（譬如不能定義局部變量時 int a[10000]; 使用遞歸來解決問題時一定要注意遞歸收斂）
堆（heap）是一種內(nèi)存管理方式。內(nèi)存管理對操作系統(tǒng)來說是一件非常復(fù)雜的事情，因為首先內(nèi)存容量很大，其次內(nèi)存需求在時間和大小塊上沒有規(guī)律（操作系統(tǒng)上運行著的幾十、幾百、幾千個進(jìn)程隨時都會申請或者釋放內(nèi)存，申請或者釋放的內(nèi)存塊大小隨意）。
堆這種內(nèi)存管理方式特點就是自由（隨時申請、釋放；大小塊隨意）。堆內(nèi)存是操作系統(tǒng)劃歸給堆管理器（操作系統(tǒng)中的一段代碼，屬于操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理單元）來管理的，然后向使用者（用戶進(jìn)程）提供API（malloc和free）來使用堆內(nèi)存。
我們什么時候使用堆內(nèi)存？需要內(nèi)存容量比較大時，需要反復(fù)使用及釋放時，很多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（譬如鏈表）的實現(xiàn)都要使用堆內(nèi)存。
特點：容量不限（常規(guī)使用的需求容量都能滿足）。
申請及釋放都需要手工進(jìn)行，手工進(jìn)行的含義就是需要程序員寫代碼明確進(jìn)行申請malloc及釋放free。如果程序員申請內(nèi)存并使用后未釋放，這段內(nèi)存就丟失了（在堆管理器的記錄中，這段內(nèi)存仍然屬于你這個進(jìn)程，但是進(jìn)程自己又以為這段內(nèi)存已經(jīng)不用了，再用的時候又會去申請新的內(nèi)存塊，這就叫吃內(nèi)存），稱為內(nèi)存泄漏。在C/C++語言中，內(nèi)存泄漏是最嚴(yán)重的程序bug，這也是別人認(rèn)為Java/C#等語言比C/C++優(yōu)秀的地方。
堆內(nèi)存釋放時最簡單，直接調(diào)用free釋放即可。 void free(void *ptr);
堆內(nèi)存申請時，有3個可選擇的類似功能的函數(shù)：malloc, calloc, realloc
void *malloc(size_t size);
void *calloc(size_t nmemb, size_t size); // nmemb個單元，每個單元size字節(jié)
void *realloc(void *ptr, size_t size); // 改變原來申請的空間的大小的
譬如要申請10個int元素的內(nèi)存：
malloc(40); malloc(10*sizeof(int));
calloc(10, 4); calloc(10, sizeof(int));數(shù)組定義時必須同時給出數(shù)組元素個數(shù)（數(shù)組大?。?，而且一旦定義再無法更改。在Java等高級語言中，有一些語法技巧可以更改數(shù)組大小，但其實這只是一種障眼法。它的工作原理是：先重新創(chuàng)建一個新的數(shù)組大小為要更改后的數(shù)組，然后將原數(shù)組的所有元素復(fù)制進(jìn)新的數(shù)組，然后釋放掉原數(shù)組，最后返回新的數(shù)組給用戶；
堆內(nèi)存申請時必須給定大小，然后一旦申請完成大小不變，如果要變只能通過realloc接口。realloc的實現(xiàn)原理類似于上面說的Java中的可變大小的數(shù)組的方式。
免責(zé)聲明：本站發(fā)布的內(nèi)容（圖片、視頻和文字）以原創(chuàng)、轉(zhuǎn)載和分享為主，文章觀點不代表本網(wǎng)站立場，如果涉及侵權(quán)請聯(lián)系站長郵箱：is@yisu.com進(jìn)行舉報，并提供相關(guān)證據(jù)，一經(jīng)查實，將立刻刪除涉嫌侵權(quán)內(nèi)容。
億速云公眾號
手機網(wǎng)站二維碼