2018-07-31 计算机内存与堆栈

感觉上一周给自己挖了一个深坑，在繁重的工作任务之下，感觉自己完全没有办法重现当时联系过的js的栈与队列，再深刻剖析一下数据结构中的栈与队列的形式与变化。

不管怎样，先解决一个小坑，今天看了看计算机的堆栈，当然堆栈还是与内存有关的，那究竟计算机中的堆栈是什么呢？

首先，说堆栈肯定要从内存开始讨论。计算机五个部分，输入设备，输出设备，运算器，存储器，控制器，内存自然是属于存储器的。存储器包括很多，包括硬盘，包括内存，包括虚存。当然广义上来说，u盘等存储也是存储器，不过这都是我们平常了解的概念，计算机的存储器其体系大概是这样的：

如图所示，上文所说的硬盘，内存，实际上都包含在主存之中，而所说的U盘其实就属于辅存部分。此外我刚才还说到了虚存，上图之中也体现了缓存，这其实又可以画出一个层次图。

实际上对于电脑的物理设备就是，CPU,内存，硬盘（二级存储），而缓存，虚存是为了计算机更好的处理数据而虚拟出来的区块。缓存是在内存之上的一块空间，不过相比其他的内存区域，他的存取速度要快很多；虚拟内存是处于二级存储上的一块空间，它是用来存储内存上不常用的一些符号和数据等内容，相比于普通二级存储它自然也速度也会快一些。其逻辑自然如上图，CPU需要数据的时候会先从缓存中寻找，如果寻找不到，再到内存中寻找，如果还是没有，会再到虚拟内存中寻找，最后找不到会从二级存储中寻找。

那么为什么这两张图都CPU呢？尤其我们知道，CPU，中央处理器嘛，按上面所说的分类，怎么着也应该是运算器和控制器，怎么也轮不到存储器吧？但实际上CPU中也有一个存储的空间，叫做寄存器。我们都知道，冯诺依曼计算机思想的中心原则就是指令和数据一起存储，那么作为一条指令，在CPU上运行，它的存储在哪里？为了提升这种在运算中的数据和指令的存取速度，所以有了寄存器，这些正在运算中的指令与数据就存在了寄存器之上。

既然我们今天想要讨论内存，那就聚焦于内存之上，这其中会涉及到很多有关内存的分段，分页，缺页中断算法等理论，这些与我们要讨论的堆栈无关，但是其实还是可以讲一下（或者挖个坑）。

说完了这些我们可以再稍微明确一下堆栈是什么，简单来说，堆栈只是两个数据结构，这一点其实再上一篇中已经简单提到了，那么为什么我们再计算机运算，存储的过程中反复提到了堆栈的概念呢？因为，堆栈是在进行内存管理中的重要概念，内存的存储方式实际上就是一块一块的地址，而堆与栈就是通过程序员主动或者程序自动的方式，为数据分配相应的地址空间。

在写程序的时候，我们知道栈与堆最重要的区别就是：栈是由编译器自动分配的，其中存储的是函数的参数值，局部变量的值等；堆是由程序员自己主动分配的，每当新建一个变量，会在堆中新开辟一块地址区域。这样说其实比较笼统，也不够准确，因为，本身当我们去new一个变量的时候，它也会有赋值操作，也会有调用函数，那它不是既存在于堆中，又存在于栈中了么？

所以，其实那样对于堆栈的解释不够准确，其实这样的解释并不矛盾的。因为栈之中，存在的是新建的变量的一个地址的引用，而堆中存在的是这个引用变量的真实地址，其内部是该变量的真实内容。所以当数据改变的时候，实际上是改变了这个地址的引用，所以存在堆中的引用变量也会改变，这也就涉及到了深浅复制的问题。（见https://www.jianshu.com/p/65bf223bbba9）

那么这样严格来说，好像计算机内存于堆栈是完全没有什么关系的东西，但是或许是他们的结构类似吧，也有相似的映射关联，内存有与具体文件的映射关系，而栈是和堆之间有映射关系，而且我们常常对于内存会有列状的地址栏表示，与栈的结构会有所相似，但是实际上在内存分配的大部分时候是不连续且随机的，并不具有栈那么规则的结构，其中会有内存的碎片，这与栈和堆也是完全不类似且没什么联系的。

唯一我们需要知道的就是，栈和堆中的内容都是有地址的，栈内存中变量都是有地址的，无论是直接字面量，还是变量，还是地址的引用，都是有独立的地址的，尤其是地址的引用这里需要注意，这个变量有自己单独的地址，与在堆中的引用变量是完全不同且没有任何直接关系的地址，堆中的引用变量自然也有自己独立的地址，这些数据都存在内存之上，一部分在缓存之中，当CPU处理的时候会将他们放到寄存器之上。在基础之上，大概就是这样了，如果需要再了解一些栈帧，地址方向等知识，我感觉自己还需要再准备一下，仔细了解一下内存的构造。