内存是如何工作的

一、什么是内存

从外观上辨识，它就是内存条；从硬件上讲，它叫RAM，翻译过来叫随机存储器。英文全称：Random Access Memory。它也叫主存，是与CPU直接交换数据的内部存储器。其特点是读写速度快，不是一般的快，是我们想像不到的快。

我们可以把内存想像成小时候写作文的本子，只不过，内存的每一行数据都有一个唯一的地址。所以从软件上讲，内存被操作系统管理，根据地址进行寻址和读写数据。对于程序而言，内存是一个逻辑上连续的空间，装载着运行时的程序和数据。为什么说是逻辑上呢，因为有的电脑从物理上看，它可能有两根或以上的内存条，它们都插在主板上，由操作系统将所有的内存条的地址统计进行“登记”，所以，很可能某个程序的一部分存在第一根内存条上，另一部分存在第二根内存条上。但是我们是感知不到的。

内存一般按照字节来编址，从 0 开始，也就是说，地址 0 代表第一个字节，地址 1 代表第二个字节，4GB 的内存，有 210^32 个字节，最大的地址就是 210^32 - 1，用十六进制表示就是 0xFFFFFFFF，这也是为什么 32 位的操作系统，最大支持 4GB 物理内存的原因，而64位操作系统理论上的寻址空间为2的64次方bit，转化单位为2147483648GB，这只是理论值，目前64位windows系统最大只支持128G。

我们可以把内存看成是一家酒店，地址号代表了房间号，每个房间只能住一个人（一个字节），因为内存被设计成单间。如果要住两个人，那只能开两间房。操作系统是酒店的前台小姐姐，负责房间管理工作。她会知道酒店哪些房间已订或空闲，但是她也是酒店的一员，所以，她也要占用房间，至于占用多少房间，取绝于前台小姐姐这个部门的人数。比如早期的WinXp系统就比较小，启动后所占内存500M-1G，到了如今的WIN11系统，原本16G的内存只剩下80%可用，起码要占用2G的内存空间。行政机构真是越来越臃肿！

程序员的本质工作是什么？

找到前台小姐姐订房，然后将数据和指令安排入住到房间里（这一过程其实是酒店管理人员负责，程序员不用管），操作系统会执行这些指令去处理数据，待处理结束，再将处理好的数据永久保存到外存或输入到其它地方（比如打印出来）。这里会涉及到退房，像C和C++语言，需要程序员来退房，像C#语言则不需要，因为，实际上程序员委托了一家代理商（CLR公共语言运行时）来做开房和退房的工作。

然而在实际程序运行时，有可能出现房间已满无法开房的状态，这个时候可以申请超出物理大小的内存 ，这是因为操作系统提供的其实是虚拟内存（把隔壁的仓库拿出一部分临时改造成酒店的房间），很大一部分申请到的内存，只是建立了映射关系，并没有落到 RAM 里，也有可能一部分内存被交换到了磁盘的 swap 区里。

二、内存装入

不管是操作系统，还是应用程序，它们都存储在硬盘（外存）里面。当我们启动计算机时，首先会点亮主板电源，进而加载并启动主板上的输入输出引导系统（俗称BIOS），这个引导系统会找到硬盘上的操作系统，然后加载操作系统，这个过程实际上是将硬件上的操作系统程序读入到内存。待操作系统完全启动后，将接管对硬件的管理，包括内存的管理。这时，一个16G的内存区域，除了操作系统本身占用了一部分，剩下的区域就等待其它软件和数据去使用。

而程序员要作的，就是开发软件，从操作系统那里申请内存空间，用来存放软件要处理的数据。至于应用软件本身会占据多少内存，如何分配和装入，这一切都交由操作系统来处理。

程序员如何从操作系统哪里申请内存

这一点十分简单，C#有多种数据类型，每种数据类型所占的内存空间大小是不同的，我们会按需申请，绝不浪费，而申请内存的工作其实是交给C#的“运行时”去完成的，我们只需要告诉它一声就行了。即通过new关键词来告诉运行时帮我们开辟内存空间。
在C语言和C++语言中，程序员需要自己主动向操作系统申请空间，待使用完后，再主动销毁，将借来的内存还给操作系统。但是，由于在操作系统和C#之间还存在一个叫CLR运行时的框架，所以，C#程序员在申请内存空间时，其实并不是直接向操作系统申请，而是由CLR运行时在帮助我们完成这一操作。所以，我们申请了内存空间后并不需要还给操作系统，只要这段内存空间不再使用，CLR运行时会帮我们还给操作系统的（即CLR的垃圾回收器支持自动内存管理）。哈，多么人性化的操作！

凡是都有利有弊。CLR的垃圾回收器有时候并不会及时回收内存，而程序员开发出来的软件，因某些业务要不断的申请新的内存空间，总有一刻，内存会被申请完，导致内存不足，程序崩溃。所以，了解内存的结构和正确使用内存，对于立志成为一名高级程序员而言，尤为重要。

C#里面也有及时回收内存的指令，特别是我们申请了超大的连续内存空间，在使用完后，最好及时告诉CLR的垃圾回收器，有借有还，再借不难。
本文原发布于：WPF中文网 wpfsoft.com
——重庆教主 2023年11月30日