對于初學(xué)者來說，計算機(jī)的“內(nèi)存”概念有時會讓人感到困惑。我們知道程序和數(shù)據(jù)放在內(nèi)存里運(yùn)行，也聽說過“內(nèi)存地址”這個詞，但它到底代表什么？物理內(nèi)存條、顯卡顯存、主板上的ROM...這些都是存儲器，它們是如何被統(tǒng)一管理的？

本文將帶你探索計算機(jī)存儲器的不同層面，理解物理存儲器、存儲地址空間以及程序所感知的“內(nèi)存地址”之間的關(guān)系。

1. 物理存儲器：硬件層面的“倉庫”

首先，我們來談?wù)?strong>物理存儲器 (Physical Storage)。顧名思義，這是指計算機(jī)硬件中實(shí)際存在的、用于存儲數(shù)據(jù)的芯片或設(shè)備。最常見的物理存儲器包括：

• 主內(nèi)存 (Main Memory / RAM): 插在主板上的內(nèi)存條，是CPU主要的工作區(qū)域。
• 顯卡顯存 (VRAM): 位于顯卡上的專用高速存儲器，用于存儲圖形數(shù)據(jù)和紋理。
• 各種適配器上的 ROM 或 RAM: 例如，網(wǎng)卡、聲卡等設(shè)備上也可能有存儲固件（ROM）或少量用于緩沖數(shù)據(jù)的RAM。

這些物理存儲器是分散在計算機(jī)系統(tǒng)中的獨(dú)立硬件單元。它們各自有自己的控制器，以及訪問其內(nèi)部數(shù)據(jù)的機(jī)制。

2. 存儲地址空間 (Per-Device): 各自為政的地址范圍

每個物理存儲設(shè)備都有其內(nèi)部的存儲地址空間 (Storage Address Space)。這指的是該設(shè)備內(nèi)部用來標(biāo)識其存儲單元（通常是字節(jié)）的地址范圍。

例如，一個 8GB 的內(nèi)存條，它內(nèi)部可能有從地址 0 到 8GB-1 的存儲單元。一塊顯卡的 4GB 顯存，它內(nèi)部也有從地址 0 到 4GB-1 的存儲單元。一個設(shè)備上的 ROM 可能有從地址 0 到 ROM 大小-1 的地址。

你可以把這想象成不同的建筑物，每棟建筑物里的房間都有從 1 開始編號。建筑物 A 的 1 號房間和建筑物 B 的 1 號房間是完全不同的兩個地方。每個物理設(shè)備就是一棟“建筑物”，它的內(nèi)部地址空間就是這棟建筑物里“房間”的編號范圍。

問題來了：CPU 如何統(tǒng)一管理和訪問這些分散在不同物理設(shè)備、擁有各自獨(dú)立地址空間的存儲單元呢？CPU 不能直接說“請給我建筑物 B 的 1 號房間的東西”。

3. 統(tǒng)一的視圖：內(nèi)存地址空間與線性地址

為了讓 CPU 和軟件能夠方便地訪問和管理這些分散的物理存儲資源，操作系統(tǒng)和硬件（特別是內(nèi)存管理單元 MMU）會將這些物理設(shè)備的地址映射 (Mapping) 到一個統(tǒng)一的、線性的地址空間中。這個統(tǒng)一的地址空間，就是我們通常在討論計算機(jī)系統(tǒng)時所說的內(nèi)存地址空間，或者更精確地說，是線性地址空間 (Linear Address Space)，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，它往往是虛擬地址空間 (Virtual Address Space) 的一部分。

這個過程可以理解為：系統(tǒng)為所有的物理存儲資源（包括 RAM、顯存、各種設(shè)備的寄存器和內(nèi)存等）編制了一個統(tǒng)一的“地圖”。地圖上的每一個地址都對應(yīng)著某個物理設(shè)備上的某個具體的存儲單元。

例如，在一個 32 位系統(tǒng)中，這個統(tǒng)一的線性地址空間通常是從地址 0x00000000 到 0xFFFFFFFF，總共 2^32 = 4GB 的地址范圍。系統(tǒng)會將 4GB 物理內(nèi)存的地址范圍映射到這個線性地址空間的一部分，將顯存映射到另一部分，將設(shè)備 ROM/RAM 映射到再一部分，等等。

這樣一來，CPU 只需要使用這個統(tǒng)一的線性地址（例如 0x80001234），系統(tǒng)硬件就會負(fù)責(zé)將這個線性地址翻譯成對應(yīng)的物理設(shè)備上的物理地址（例如“顯卡顯存上的地址 0x101234”），從而完成數(shù)據(jù)的訪問。

內(nèi)存地址 (Memory Address) 這個概念，在程序開發(fā)者的視角看來，通常指的就是在這個統(tǒng)一的線性/虛擬地址空間中的地址。當(dāng)我們在 C/C++ 中使用指針獲取變量地址時，獲取到的就是這個線性/虛擬地址空間中的地址。

將內(nèi)存抽象成字節(jié)數(shù)組：

從軟件（特別是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序）的角度看，這個統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間可以被抽象成一個巨大的、一維的字節(jié)數(shù)組 (Byte Array)。這個數(shù)組的每一個“格子”就是一個字節(jié)（8 bits），并且都有一個唯一的、從 0 開始的編號，這個編號就是該字節(jié)的內(nèi)存地址。

• 地址 0x00000000 對應(yīng)第一個字節(jié)。
• 地址 0x00000001 對應(yīng)第二個字節(jié)。
• ...
• 地址 0xFFFFFFFF 對應(yīng)最后一個字節(jié)（在 32 位系統(tǒng)中）。

不同類型的數(shù)據(jù)，如 char (1 字節(jié)), int (通常 4 字節(jié)), float (通常 4 字節(jié)), double (通常 8 字節(jié))，以及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體和數(shù)組，它們在內(nèi)存中會占據(jù)連續(xù)的若干個字節(jié)空間。一個變量的地址通常指的就是它所占用的第一個字節(jié)的地址。

4. 代碼示例：窺探程序眼中的內(nèi)存地址

通過一個簡單的 C 語言程序，我們可以直觀地看到變量在程序所感知的這個“內(nèi)存地址空間”中是如何被分配地址的。

#include <stdio.h> // 包含標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出庫，用于使用 printf 函數(shù)
#include <stddef.h> // 包含 stddef.h 以使用 size_t 類型

int main() {
    // 聲明不同類型的變量
    char my_char = 'A';        // 字符類型，通常占 1 字節(jié)
    int my_int = 12345;        // 整型，通常占 4 字節(jié)
    float my_float = 3.14f;    // 浮點(diǎn)型，通常占 4 字節(jié)
    double my_double = 2.71828; // 雙精度浮點(diǎn)型，通常占 8 字節(jié)

    // 聲明一個數(shù)組
    int my_array[5] = {10, 20, 30, 40, 50}; // 包含 5 個整型的數(shù)組

    // 聲明一個結(jié)構(gòu)體
    struct Point {
        int x;
        int y;
    };
    struct Point p = {100, 200}; // 結(jié)構(gòu)體變量

    // 聲明一個函數(shù) (實(shí)際上是獲取函數(shù)的入口地址)
    // 注意：函數(shù)地址通常在代碼段，與數(shù)據(jù)段/棧段的地址在不同的內(nèi)存區(qū)域
    void (*print_msg)(void) = main; // 獲取 main 函數(shù)的地址 (示例)
    // 實(shí)際調(diào)用函數(shù)指針的例子：
    // print_msg(); // 這會嘗試再次執(zhí)行 main 函數(shù)，可能會導(dǎo)致棧溢出或其他問題，不建議在實(shí)際代碼中這樣做！
    // 這里的目的是演示如何獲取函數(shù)地址

    // 打印變量的值、地址和占用的字節(jié)數(shù)
    // %p 用于打印指針的值 (地址)，需要轉(zhuǎn)換為 (void*) 類型以保證跨平臺兼容性
    // sizeof 運(yùn)算符用于獲取變量或類型占用的字節(jié)數(shù)
    printf("變量 my_char:\n");
    printf("  值: %c\n", my_char);
    printf("  地址: %p\n", (void*)&my_char);
    printf("  占用字節(jié)數(shù): %zu\n", sizeof(my_char)); // %zu 用于 size_t 類型

    printf("\n變量 my_int:\n");
    printf("  值: %d\n", my_int);
    printf("  地址: %p\n", (void*)&my_int);
    printf("  占用字節(jié)數(shù): %zu\n", sizeof(my_int));

    printf("\n變量 my_float:\n");
    printf("  值: %f\n", my_float);
    printf("  地址: %p\n", (void*)&my_float);
    printf("  占用字節(jié)數(shù): %zu\n", sizeof(my_float));

    printf("\n變量 my_double:\n");
    printf("  值: %lf\n", my_double); // %lf 用于 double 類型
    printf("  地址: %p\n", (void*)&my_double);
    printf("  占用字節(jié)數(shù): %zu\n", sizeof(my_double));

    printf("\n數(shù)組 my_array:\n");
    // 數(shù)組名本身通常代表數(shù)組第一個元素的地址
    printf("  數(shù)組首地址: %p\n", (void*)my_array);
    printf("  第一個元素 my_array[0] 的地址: %p\n", (void*)&my_array[0]);
    printf("  第二個元素 my_array[1] 的地址: %p\n", (void*)&my_array[1]);
    printf("  占用總字節(jié)數(shù): %zu\n", sizeof(my_array));
    printf("  每個元素占字節(jié)數(shù): %zu\n", sizeof(my_array[0]));
    // 注意觀察相鄰元素地址之間的差異，它等于元素的大小 (這里是 sizeof(int))

    printf("\n結(jié)構(gòu)體 p:\n");
    printf("  結(jié)構(gòu)體首地址: %p\n", (void*)&p);
    printf("  成員 p.x 的地址: %p\n", (void*)&p.x);
    printf("  成員 p.y 的地址: %p\n", (void*)&p.y);
    printf("  占用總字節(jié)數(shù): %zu\n", sizeof(p));
    // 注意成員地址與結(jié)構(gòu)體首地址的關(guān)系

    printf("\n函數(shù) main 的地址:\n");
    printf("  地址: %p\n", (void*)print_msg); // 打印函數(shù)指針的值

    return 0; // 程序正常結(jié)束
}

編譯和運(yùn)行：

1. 將上述代碼保存為 address_example.c 文件。
2. 打開終端或命令提示符。
3. 使用 C 編譯器（如 GCC）編譯代碼：

gcc address_example.c -o address_example

1. 運(yùn)行生成的可執(zhí)行文件：

./address_example

運(yùn)行結(jié)果示例：

請注意，輸出的內(nèi)存地址是示例值，具體數(shù)值在您的系統(tǒng)上運(yùn)行或每次運(yùn)行時都可能不同，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)會動態(tài)分配內(nèi)存，并且涉及到虛擬內(nèi)存地址。關(guān)鍵在于觀察地址的相對關(guān)系和不同類型占用的字節(jié)數(shù)。

變量 my_char:
  值: A
  地址: 0x7ffd7533f0b7
  占用字節(jié)數(shù): 1

變量 my_int:
  值: 12345
  地址: 0x7ffd7533f0b0
  占用字節(jié)數(shù): 4

變量 my_float:
  值: 3.140000
  地址: 0x7ffd7533f0ac
  占用字節(jié)數(shù): 4

變量 my_double:
  值: 2.718280
  地址: 0x7ffd7533f0a0
  占用字節(jié)數(shù): 8

數(shù)組 my_array:
  數(shù)組首地址: 0x7ffd7533f080
  第一個元素 my_array[0] 的地址: 0x7ffd7533f080
  第二個元素 my_array[1] 的地址: 0x7ffd7533f084
  占用總字節(jié)數(shù): 20
  每個元素占字節(jié)數(shù): 4

結(jié)構(gòu)體 p:
  結(jié)構(gòu)體首地址: 0x7ffd7533f078
  成員 p.x 的地址: 0x7ffd7533f078
  成員 p.y 的地址: 0x7ffd7533f07c
  占用總字節(jié)數(shù): 8

函數(shù) main 的地址:
  地址: 0x563e556c4179

結(jié)果分析：

1. 每個變量都被分配了一個唯一的地址。這些地址是程序在運(yùn)行時看到的線性/虛擬地址。
2. sizeof 運(yùn)算符顯示了不同數(shù)據(jù)類型占用的字節(jié)數(shù)，這決定了它們在內(nèi)存中占據(jù)的空間大小。
3. 對于數(shù)組 my_array，數(shù)組名 my_array 的地址與第一個元素 &my_array[0] 的地址相同。相鄰元素 &my_array[0] 和 &my_array[1] 的地址相差 4 個字節(jié) (0x7ffd7533f084 - 0x7ffd7533f080 = 0x4)，正好是一個 int 類型的大小，這印證了數(shù)組元素是連續(xù)存儲的。
4. 對于結(jié)構(gòu)體 p，結(jié)構(gòu)體的首地址就是其第一個成員 &p.x 的地址。第二個成員 &p.y 的地址緊隨其后（或者根據(jù)編譯器的對齊策略有微小的間隔），地址相差 4 個字節(jié) (0x7ffd7533f07c - 0x7ffd7533f078 = 0x4)，正好是 p.x (int) 的大小，這說明結(jié)構(gòu)體成員也是按順序存儲的。結(jié)構(gòu)體的總大小是其成員大小的總和（加上可能的對齊填充）。
5. 函數(shù) main 也有一個地址，這是函數(shù)代碼在內(nèi)存中的起始位置。函數(shù)的地址通常位于內(nèi)存的不同區(qū)域（代碼段）與變量（數(shù)據(jù)段/棧段）的地址區(qū)分開來。

這個例子清晰地展示了程序如何看待內(nèi)存——一個擁有連續(xù)地址的字節(jié)序列，各種數(shù)據(jù)類型根據(jù)其大小占據(jù)其中的一部分。操作系統(tǒng)和硬件在底層默默地將這些程序可見的地址翻譯成物理設(shè)備上的實(shí)際地址。

到此這篇關(guān)于計算機(jī)內(nèi)存探秘：物理存儲器、地址空間與內(nèi)存地址的文章就介紹到這了,更多相關(guān)計算機(jī)內(nèi)存：物理存儲器、地址空間與內(nèi)存地址內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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