計算機(jī)基礎(chǔ)- -認(rèn)識磁盤

文章目錄

• 計算機(jī)基礎(chǔ)- -認(rèn)識磁盤
• • 一、認(rèn)識磁盤
  • • 程序不讀入內(nèi)存就無法運(yùn)行
  • 二、磁盤構(gòu)件
  • • 1.磁盤緩存
    • 2.虛擬內(nèi)存
    • • 虛擬內(nèi)存與內(nèi)存的交換方式
  • 三、節(jié)約內(nèi)存
  • • 1.通過DLL文件實現(xiàn)函數(shù)共有
    • 2.通過調(diào)用_stdcall來減少程序文件的大小
    • 3.磁盤的物理結(jié)構(gòu)

一、認(rèn)識磁盤

• 首先，磁盤和內(nèi)存都具有存儲功能，它們都是存儲設(shè)備。
• 區(qū)別在于：
• 內(nèi)存是通過電流來實現(xiàn)存儲；磁盤則是通過磁記錄技術(shù)來實現(xiàn)存儲。
• 內(nèi)存是一種高速，造假昂貴的存儲設(shè)備；而磁盤則是速度較慢、造假低廉的存儲設(shè)備
• 電腦斷電后，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)會丟失，而磁盤中的數(shù)據(jù)可以長久保留。
• 內(nèi)存是屬于內(nèi)部存儲設(shè)備，硬盤是屬于外部存儲設(shè)備。
• 一般在我們的計算機(jī)中，磁盤和內(nèi)存是相互配合共同作業(yè)的。一般內(nèi)存指的就是主存(負(fù)責(zé)存儲CPU中運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)) ；

早期的磁盤指的是軟磁盤(softdisk，簡稱軟盤)就是下面這個：

如今常用的磁盤是硬磁盤(harddisk， 簡稱硬盤) ， 就是下面這個

程序不讀入內(nèi)存就無法運(yùn)行

• 在了解磁盤前，還需要了解一下內(nèi)存的運(yùn)行機(jī)制是怎樣的，我們的程序被保存在存儲設(shè)備中，通過使用CPU讀入來實現(xiàn)程序指令的執(zhí)行。
• 這種機(jī)制稱為存儲程序方式， 現(xiàn)在看來這種方式是理所當(dāng)然的， 但在以前程序的運(yùn)行都是通過改變計算機(jī)的布線來讀寫指令的。
• 計算機(jī)最主要的存儲部件是內(nèi)存和磁盤。磁盤中存儲的程序必須加載到內(nèi)存中才能運(yùn)行，在磁盤中保存的程序是無法直接運(yùn)行的， 這是因為負(fù)責(zé)解析和運(yùn)行程序內(nèi)容的CPU是需要通過程序計數(shù)器來指定內(nèi)存地址從而讀出程序指令的。
  

二、磁盤構(gòu)件

1.磁盤緩存

• 我們上面提到，磁盤往往和內(nèi)存是互利共生的關(guān)系，相互協(xié)作，彼此持有良好的合作關(guān)系。
• 每次內(nèi)存都需要從磁盤中讀取數(shù)據(jù)，必然會讀到相同的內(nèi)容，所以一定會有一個角色負(fù)責(zé)存儲我們經(jīng)常需要讀到的內(nèi)容。
• 我們大家做軟件的時候經(jīng)常會用到緩存技術(shù)，那么硬件層面也不例外，磁盤也有緩存，磁盤的緩存叫做磁盤緩存。
• 磁盤緩存指的是把從磁盤中讀出的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存的方式，這樣一來，當(dāng)接下來需要讀取相同的內(nèi)容時，就不會再通過實際的磁盤，而是通過磁盤緩存來讀取。

某一種技術(shù)或者框架的出現(xiàn)勢必要解決某種問題的，那么磁盤緩存就大大改善了磁盤訪問的速度。

• Windows操作系統(tǒng)提供了磁盤緩存技術(shù)， 不過， 對于大部分用戶來說是感受不到磁盤緩存的， 并且隨著計算機(jī)的演進(jìn)， 對硬盤的訪問速度也在不斷演進(jìn)， 實際上磁盤緩存到Windows 95/98就已經(jīng)不怎么使用了。
• 把低速設(shè)備的數(shù)據(jù)保存在高速設(shè)備中， 需要時可以直接將其從高速設(shè)備中讀出， 這種緩存方式在web中應(yīng)用比較廣泛， web瀏覽器是通過網(wǎng)絡(luò)來獲取遠(yuǎn)程web服務(wù)器的數(shù)據(jù)并將其顯示出來。
• 因此， 在讀取較大的圖片的時候， 會耗費(fèi)不少時間， 這時web瀏覽器可以把獲取的數(shù)據(jù)保存在磁盤緩存中， 然后根據(jù)需要顯示數(shù)據(jù)，再次讀取的時候就不用重新加載了。

2.虛擬內(nèi)存

• 虛擬內(nèi)存是內(nèi)存和磁盤交互的第二個媒介。
• 虛擬內(nèi)存是指把磁盤的一部分作為假想內(nèi)存來使用。這與磁盤緩存是假想的磁盤(實際上是內(nèi)存)相對，虛擬內(nèi)存是假想的內(nèi)存(實際上是磁盤)。
• 虛擬內(nèi)存是計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)可用的內(nèi)存(一個完整的地址空間)，但是實際上，它通常被分割成多個物理碎片，還有部分存儲在外部磁盤管理器上，必要時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
• 計算機(jī)中的程序都要通過內(nèi)存來運(yùn)行，如果程序占用內(nèi)存很大，就會將內(nèi)存空間消耗殆盡。
• 為了解決這個問題， WINDOWS操作系統(tǒng)運(yùn)用了虛擬內(nèi)存技術(shù)， 通過拿出一部分硬盤來當(dāng)作內(nèi)存使用， 來保證程序耗盡內(nèi)存仍然有可以存儲的空間。
• 虛擬內(nèi)存在硬盤上的存在形式就是PAGE FILE.SYS這個頁面文件。
• 通過借助虛擬內(nèi)存，在內(nèi)存不足時仍然可以運(yùn)行程序。例如，在只剩5MB內(nèi)存空間的情況下仍然可以運(yùn)行10MB的程序。
• 由于CPU只能執(zhí)行加載到內(nèi)存中的程序， 因此， 虛擬內(nèi)存的空間就需要和內(nèi)存中的空間進(jìn)行置換(swap)，然后運(yùn)行程序。

虛擬內(nèi)存與內(nèi)存的交換方式

• 剛才我們提到虛擬內(nèi)存需要和內(nèi)存中的部分內(nèi)容做置換才可讓CPU繼續(xù)執(zhí)行程序， 那么做置換的方式是怎樣的呢?又分為哪幾種方式呢?
• 虛擬內(nèi)存和內(nèi)存中的部分內(nèi)容做置換的方法有分頁式和分段式兩種。
• Windows采用的是分頁式。該方式是指在不考慮程序構(gòu)造的情況下，把運(yùn)行的程序按照一定大小的頁進(jìn)行分割，并以頁為單位進(jìn)行置換。
• 在分頁式中，我們把磁盤的內(nèi)容讀到內(nèi)存中稱為Page In， 把內(nèi)存的內(nèi)容寫入磁盤稱為Page Out
• Windows計算機(jī)的頁大小為4KB， 也就是說， 需要把應(yīng)用程序按照4KB的頁來進(jìn)行切分， 以頁(page) 為單位放到磁盤中，然后進(jìn)行置換。
  
• 為了實現(xiàn)內(nèi)存功能， Windows在磁盤上提供了虛擬內(nèi)存使用的文件(page fle， 頁文件) 。該文件由Windows生成和管理， 文件的大小和虛擬內(nèi)存大小相同， 通常大小是內(nèi)存的1-2倍。

三、節(jié)約內(nèi)存

• Windows是以圖形界面為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)。它的前身是MS-DOC， 最初的版本可以在128kb的內(nèi)存上運(yùn)行程序， 但是現(xiàn)在想要Windows運(yùn)行流暢的花至少要需要512MB的內(nèi)存， 但通常往往是不夠的。
• 也許許多人認(rèn)為可以使用虛擬內(nèi)存來解決內(nèi)存不足的情況，而虛擬內(nèi)存確實能夠在內(nèi)存不足的時候提供補(bǔ)充， 但是使用虛擬內(nèi)存的Page In和Page Out通常伴隨著低速的磁盤訪問， 這是一種得不償失的表現(xiàn)。
• 所以虛擬內(nèi)存無法從根本上解決內(nèi)存不足的情況。為了從根本上解決內(nèi)存不足的情況，要么是增加內(nèi)存的容量，加內(nèi)存條；要么是優(yōu)化應(yīng)用程序，使其盡可能變小。
• 第一種建議往往需要衡量口袋的銀子，所以我們只關(guān)注第二種情況。

1.通過DLL文件實現(xiàn)函數(shù)共有

• DLL(Dynamic Link Library)文件，是一種動態(tài)鏈接庫文件，顧名思義，是在程序運(yùn)行時可以的文件。

• 此外， 多個應(yīng)用可以共有同一個DLL文件。而通過動態(tài)加載Library(函數(shù)和數(shù)據(jù)的集合)共有一個DLL文件則可以達(dá)到節(jié)約內(nèi)存的效果。

• 例如， 假設(shè)我們編寫了一個具有某些處理功能的函數(shù)MyFunc() 。應(yīng)用A和應(yīng)用Ｂ都需要用到這個函數(shù)， 然后在各自的應(yīng)用程序中內(nèi)置MyFunc((這個稱為Static Link， 靜態(tài)鏈接)

• 然后同時運(yùn)行兩個應(yīng)用，內(nèi)存中就存在了同一個函數(shù)的兩個程序，這會造成資源浪費(fèi)
  

• 為了改變這一點(diǎn)， 使用DLL文件而不是應(yīng)用程序的執(zhí)行文件(EXE文件) 。因為同一個DLL文件內(nèi)容在運(yùn)行時可以被多個應(yīng)用共有， 因此內(nèi)存中存在函數(shù)MyFunc() 的程序就只有一個
  

• Windows操作系統(tǒng)其實就是無數(shù)個DLL文件的集合體。有些應(yīng)用在安裝時， DLL文件也會被追加。應(yīng)用程序通過這些DLL文件來運(yùn)行， 既可以節(jié)約內(nèi)存， 也可以在不升級EXE文件的情況下， 通過升級DLL文件就可以完成更新。

2.通過調(diào)用_stdcall來減少程序文件的大小

• 通過調(diào)用_stdcall來減小程序文件的方法，是用C語言編寫應(yīng)用時可以利用的高級技巧。

我們來認(rèn)識一下什么是_stdcall：

• _stdcall是 standard call(標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用) 的縮寫。Windows提供的DLL文件內(nèi)的函數(shù)， 基本上都是通過_stdcall調(diào)用方式來完成的， 這主要是為了節(jié)約內(nèi)存。
• 另一方面， 用C語言編寫的程序默認(rèn)都不是_stdcall。C語言特有的調(diào)用方式稱為C調(diào)用。
• C語言默認(rèn)不使用_stdcall的原因是因為C語言所對應(yīng)的函數(shù)傳入?yún)?shù)是可變的，只有函數(shù)調(diào)用方才能知道到底有多少個參數(shù)，在這種情況下，棧的清理作業(yè)便無法進(jìn)行。
• 不過， 在Ｃ語言中， 如果函數(shù)的參數(shù)和數(shù)量固定的話， 指定_stdcall是沒有任何問題的。

C語言和Java最主要的區(qū)別之一在于C語言需要人為控制釋放內(nèi)存空間

• C語言中，在調(diào)用函數(shù)后，需要人為執(zhí)行棧清理指令。把不需要的數(shù)據(jù)從接收和傳遞函數(shù)的參數(shù)時使用的內(nèi)存上的棧區(qū)域中清理出去的操作叫做棧清理處理。

例如如下代碼：

• 代碼中， 從main主函數(shù)調(diào)用到MyFunc() 方法， 按照默認(rèn)的設(shè)定， 棧的清理處理會附加在main主函數(shù)這一方。
• 在同一個程序中， 有可能會多次調(diào)用， 導(dǎo)致MyFunc(會進(jìn)行多次清理， 這就會造成內(nèi)存的浪費(fèi)。

匯編之后的代碼如下：

• C語言通過棧來傳遞函數(shù)的參數(shù)，使用push是往棧中存入數(shù)據(jù)的指令，pop是從棧中取出數(shù)據(jù)的指令。
• 32位CPU中， 1次push指令可以存儲4個字節(jié)(32位) 的數(shù)據(jù)。上述代碼由于進(jìn)行了兩次push操作， 所以存儲了8字節(jié)的數(shù)據(jù)。
• 通過call指令來調(diào)用函數(shù)，調(diào)用完成后，棧中存儲的數(shù)據(jù)就不再需要了。
• 于是就通過add esp， 8這個指令， 使存儲著棧數(shù)據(jù)的esp寄存器前進(jìn)8位(設(shè)定為指向高8位字節(jié)的地址)，來進(jìn)行數(shù)據(jù)清理。由于棧是在各種情況下都可以利用的內(nèi)存領(lǐng)域，因此使用完畢后有必要將其恢復(fù)到原始狀態(tài)。
• 上述操作就是執(zhí)行棧的清理工作。
• 另外，在C語言中，函數(shù)的返回值，是通過寄存器而非棧來返回的。
• 棧執(zhí)行清理工作，在調(diào)用方法處執(zhí)行清理工作和在反復(fù)調(diào)用方法處執(zhí)行清理工作不同，使用_stdcall標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用的方式稱為反復(fù)調(diào)用方法，在這種情況下執(zhí)行棧清理開銷比較小。

3.磁盤的物理結(jié)構(gòu)

• 之前我們介紹了CPU、內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu)， 現(xiàn)在我們來介紹一下磁盤的物理結(jié)構(gòu)。磁盤的物理結(jié)構(gòu)指的是 磁盤存儲數(shù)據(jù)的形式。
• 磁盤是通過其物理表面劃分成多個空間來使用的。劃分的方式有兩種：可變長方式和扇區(qū)方式。前者是將物理結(jié)構(gòu)劃分成長度可變的空間， 后者是將磁盤結(jié)構(gòu)劃分為固定長度的空間。
• 一般Windows所使用的硬盤和軟盤都是使用扇區(qū)這種方式。扇區(qū)中，把磁盤表面分成若干個同心圓的空間就是磁道，把磁道按照固定大小的存儲空間劃分而成的就是扇區(qū)

• 扇區(qū)是對磁盤進(jìn)行物理讀寫的最小單位。Windows中使用的磁盤， 一般是一個扇區(qū)512個字節(jié)。
• 不過， Windows在邏輯方面對磁盤進(jìn)行讀寫的單位是扇區(qū)整數(shù)倍簇。根據(jù)磁盤容量不同功能， 1簇可以是512字節(jié)(1簇=1扇區(qū))、1KB(1簇=2扇區(qū))、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB(1簇=64扇區(qū))。簇和扇區(qū)的大小是相等的。
• 不管是硬盤還是軟盤，不同的文件是不能存儲在同一簇中的，否則就會導(dǎo)致只有一方的文件不能刪除。
• 所以，不管多小的文件，都會占用1簇的空間。這樣一來，所有的文件都會占用1簇的整數(shù)倍的空間。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机基础- -认识磁盘的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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