内存和硬盘是怎么配合工作的？

内存和硬盘是怎么配合工作的？

一个前提

首先,学习内存与磁盘之间的关系,要知道一个前提

程序要先存储在存储器中，然后才被依次读取执行

那么这种方式为 存储程序方式

这里可以先简单理解为：程序运行时，主要会涉及 内存 和 磁盘 这两类存储位置

为什么要分出内存和硬盘

有个矛盾:

1. "快"的存储:造价贵
2. "慢"的存储:造价便宜

这个矛盾到现在也没有彻底解决，只是被巧妙地分开了，分成了 内存 和 硬盘

存储在磁盘中的程序需要先加载到内存才能运行，不能在磁盘上直接运行

举个例子:

• CPU：厨师的双手
• 内存:旁边的操作台,负责切菜,炒菜
• 磁盘:地下室,储存大量食品和餐具

可以看出 CPU 永远只和 内存 直接打交道，而磁盘上的东西，要先搬运到 内存，才能被处理

对比一下它们之间的优缺点

• 内存:速度快,容量小,断电后数据消失,贵
• 硬盘:速度慢,容量大,断电后数据保存,便宜

磁盘缓存

它们的第一个联系就是 磁盘缓存

磁盘缓存:这里可以先把它理解成一块用于缓存磁盘数据的内存区域。它会临时存放从磁盘读取出来的数据,下次如果还要读取相同数据,就不一定需要再次实际访问磁盘了,这样可以提高磁盘数据的访问速度

它的应用场景:浏览器通过网络从远程Web服务器上获取数据并显示,每次都请求相同的图片数据的话,会很浪费时间,但存储到磁盘缓存中,这个问题就解决了

虚拟内存

先思考一个场景，假如你的内存剩余空间 50MB，但你能打开运行 100MB 的程序，这是为什么？

虚拟内存来了，它会在操作系统的管理下，把 磁盘空间 的一部分当作 内存的后备区域 来使用，但程序本身还是必须运行在内存里的，那么就诞生了一种思路，交换

图中可以看出,虚拟内存中存储多个页面,当真正执行 页面3的时候

• 把页面4换下来
• 把页面3换上去

那当开的程序过多时,为什么页面会卡死

1. 首先我们知道，CPU 只和 内存 打交道，而虚拟内存并不是真正的物理内存，它更像是操作系统管理出来的一套地址空间
2. 当 CPU 要访问的数据页当前不在物理内存里时，就会触发 缺页中断，这时 OS 会去硬盘里把对应的数据搬回到内存中
3. 虚拟内存的后备区域本质还是磁盘，而磁盘的读取速度远慢于内存，所以 CPU 只能等到数据搬进内存之后，才能继续处理

还有一种极端情况 抖动

大概意思就是:系统大部分时间都在"搬家",真正干活的时间几乎为零

内存满了 -> A搬到硬盘,给B搬到内存 -> B 进来之后,又需要A ->给 B 搬回去,给 A 搬回来 -> 又需要 B ....

缺页中断 和 OS

缺页中断：简单来说，就是 CPU 要访问的数据页当前不在内存里，于是触发异常，然后交给 OS 去硬盘里把对应页面搬回来

OS:操作系统，负责响应缺页中断，把页面从硬盘搬到内存

了解 OS 之后，我们先看一个难题：页面置换算法

假设：内存中包含 A、B、C、D 四个页面，现在又来个 E 页面，必须要去掉一个才能容下 E，换掉谁？

内存里现在有: A B C D
新来的页面是: E

问题是: 要把谁换出去,才能把 E 放进来?

页面置换算法

1. 理想算法 OPT

理想算法 OPT：赶走“未来最长时间内不会被用到”的那个

未来访问顺序：E → B → A → C → E → D

D 最晚被用,换掉他

但这不可能实现，你怎么可能知道未来 CPU 会访问哪些页面

2. 先入先出（FIFO）

FIFO（先进先出）：谁在内存里住得最久，赶走谁

最先进入内存的先被换掉
例如:先换掉 A, 再换掉后面最早进入的页面

这显然不合理,一个经常使用的页面,怎么能够因为“来得早”就先被去除?

3. LRU

LRU（最近最少使用）：谁用的最久没被使用，换掉谁

A -> 很久之前用过
B -> 刚才用过
C -> 昨天用过
D -> 几小时之前用过

去掉 A

那如何知道 A 很久之前用过？这就是 LRU 的代价

• 每次内存被访问,都要记录时间戳
• 每次置换,都要找到时间戳最小的

乍一看没有问题，但是内存访问频率几乎每秒数亿次，这是一个不小的开销，所以后来又推出了一个 LRU 的近似版本

4. 时钟算法

时钟算法（Clock Algorithm）用一个循环队列和一个访问位来近似模拟 LRU 的效果，但开销极小。

再看到 LRU，有些东西，它平时使用次数不多，但在特殊场景下又必须存在，比如雨伞，平时不用，下雨天就用上了

解决办法就是:引入强制豁免机制

核心概念:某些关键页面可以被设定为暂时不参与置换,即使它们很久没用,也不优先换掉

为什么内存断电信息丢失,而硬盘不会

补个知识点,为什么内存断电信息丢失,而硬盘不会?

这里主要说的是常见的 DRAM。内存（RAM）：用电容存储数据。每一比特,由一个电容来存储,由晶体管来控制读写

• 有电荷 = 1
• 无电荷 = 0

那么问题来了,电容会漏电

所以正常供电的时候,约 64毫秒 给所有电容重新充电,那断电了,电容没电了,所有数据自然而然就丢失了

就像:漏水的桶,你必须一直装水,才能保持水位

这里说的硬盘主要指 **机械硬盘（HDD）**。硬盘（HDD）：用磁场存储数据。每一个比特，对应一个极小的磁性区域（磁畴）

N S N N S S N S N N S S
↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
每个箭头 = 一个磁畴的方向

特点:磁畴一旦磁化定向,不需要任何能量来维持这个方向

就像:指南针 不需要电,就能一直指向北方

本章小结

这一篇让我更清楚地理解了 内存 和 硬盘 的分工： 内存 负责让 CPU 快速读取和执行数据， 硬盘 负责长期保存数据。程序之所以不能直接在硬盘上运行,本质上就是因为硬盘太慢,而内存更适合作为运行时的工作区。

另外，我也开始明白 虚拟内存 的意义。它并不是把硬盘真的变成了内存,而是在内存不够的时候,借助硬盘作为后备区域来缓解空间压力。代价就是,一旦频繁发生页面交换,系统就会明显变慢,甚至出现抖动。

所以从整体上看,内存和硬盘不是互相替代的关系,而是分工协作的关系: 一个追求速度,一个追求容量和持久性,操作系统则负责在它们之间做调度和平衡。