0. 前言

每台电脑都有操作系统，比如 Windows 系统，Mac OS 等。

对于操作系统而言，最重要的就是管理计算机的资源，包括（但不限于）：

1. 进程管理（Process Management）
2. 内存管理（Memory Management）
3. 文件管理（File Management）
4. 设备管理（Device Management）

今天我们聊的是内存管理。

内存是什么呢？

首先我们要知道，计算机储存数据的方式有两种：

1. 内存
2. 外存（如硬盘、USB 等储存设备，使用时需要调入内存）

所以，内存就是计算机储存数据的方式之一。

1. 内存分类

内存又可以分为：

1. RAM（包括 Cache）
2. ROM

PS：Cache（缓存）在 CPU 里面讲过。

价格：Cache > RAM > ROM

速度：Cache > RAM > ROM

和 CPU 的距离：Cache < RAM < ROM

RAM 和 ROM 的区别

RAM (Ramdom Access Memory) ：随机存取存储器

ROM (Read Only Memory)：只读存储器

ROM 是在设备出厂的时候就写好的；

当你启动计算机的时候，ROM 是首先运行的，由于里面包含着一些重要的固件信息，一般来说是不会修改的。

PS: 目前有提议用 UEFI (Unified Extensible Fireware Interface) 来取代 BIOS。

Memory 的定义

一般来说，Memory 指的是 RAM。

2. Data - Stack vs Heap vs Queue

Stack（栈） vs Queue（队列）

之前我们在 Data Type 里面讲过 Stack 和 Queue 的区别，Stack 是 FILO，Queue 是 FIFO。

Stack 和 Queue 都是 Abstract Data Type。

那么 Heap 又是什么呢？

Heap（堆）

其实 Heap 是一种数据结构（Data Structure），而我们知道，数据结构是用来实现数据类型的。

那么 Heap 是什么数据类型呢？

答案是：Priority Queue，也就是 Queue 的一种特殊类型。

Priority Queue

这种 Queue 和我们之前讨论的 FIFO 有一个不同之处，那就是每个排队的成员都增加了一个叫做优先级（priority）的属性。

Queue：1 号，2 号，3 号，4 号（1 号先进，1 号先出）

Priority Queue：1 号（优先级=1），2 号（优先级=5），3 号（优先级=3），4 号（优先级=2）

在这个带有优先级的 Queue 里面，优先级越高，越先出去。

所以 2 号先出去，接着是 3 号，4 号，1 号。

在这种数据类型中，顺序是由优先级决定的。

Heap 就是 Priority Queue 的实现形式。

Heap vs Priority Queue vs Queue

3. Memory - Stack vs Heap

这里我必须吐槽一下，memory 里面的 stack 和 heap 其实跟 data 里面讲的 stack 和 heap 是不一样的！！！！！（虽然名字一样

对于新手小白来说，这些名词简直太容易混淆了（说的就是我）。

在咨询了各路大神之后，发现：

Memory Stack（内存栈）和 Memory Heap（内存堆）跟我们之前提到的数据结构（Heap）、数据类型（Stack）没有直接关系！！！

内存分配

内存分配有两种方式：静态内存分配（Static Memory Allocation）和动态内存分配（Dynamic Memory Allocation）。

Stack Memory 和 Heap Memory 是内存的不同区域，静态内存分配使用的是 Stack Memory，动态内存分配使用的是 Heap Memory。

Stack Memory 依旧保持着 FILO （先进后出）的特性，但是 Heap Memory 就跟我们之前说的 Priority Queue 没有半毛钱关系了。

静态内存和动态内存有什么区别？

Difference Between Static and Dynamic Memory Allocation > 动态内存与静态内存有何优劣？

Memory : Stack vs Heap

静态内存和动态内存的创建时间和创建者是不同的，分别对应程序生命周期的两个阶段（编译、运行）。

静态内存：静态变量和自动变量

C# Global Variables, Fields and Functions

静态内存分配的是静态变量（static variable）所占用的存储空间，这个空间在程序运行之前就可以被计算出来。

静态变量是程序里面声明的 static 变量或者 global 变量。

1
2

// 创建一个静态变量（static or global variable）
static int number = 1;

而自动变量（automatic variable）往往也被称为 Local variable，这些变量离开了 scope（作用域）之后就不需要了。这些变量是通过 stack-based memory（也就是静态内存）来分配的。

1
2
3
4
5

// 创建一个自动变量
void Method()
{
  int localVariable = 1;
}

所以，静态变量和自动变量都是通过静态内存来分配的。

PS: 静态内存如果用完了（比如你写了个 infinite for loop），报错是：StackOverflowException。

动态内存：引用类型

动态内存里面放的是 Reference Type。

这里拿我之前的 C# Types 文章配图来举例，我们可以看到，Reference Type 的实际 Object 是存放在 Heap Memory 里面的，只有 Object Reference 是存放在 Stack Memory 里面的。

PS: 动态内存如果用完了（比如你没有好好回收资源造成了 memory leak），报错是：OutOfMemoryException。

In computer programming, a static variable is a variable that has been allocated “statically”, meaning that its lifetime is the entire run of the program.

The storage of shorter-lived automatic variables is stack allocated and deallocated on the call stack.

The storage of objects is dynamically allocated and deallocated in heap memory.

图解

4. 结语

在这篇文章里面，我们讲了：

• 内存的分类（RAM, ROM)
  • CPU 里面的 Cache 属于 RAM
• RAM 和 ROM 的区别（RAM 能读能写， ROM 只读不写）
• 重点区分了在不同语境里面的 Stack 和 Heap（数据语境和内存语境是完全不同的哦！！）
  • Heap 在数据语境里面 = Priority Queue 这种 ADT 的实现形式
  • Heap 在内存语境里面跟 Queue 没有半毛钱关系……
  • Stack 在两种语境里面都有 FILO 的特征
  • Call Stack 是 Stack ADT 的一种实现形式
• 内存语境下，Stack 和 Heap 分别对应不同的内存分配方式（static 和 dynamic）
• 静态内存分配完了就不能改，存的是静态变量和自动变量，由编译器和 CPU 管理，在程序编译期间分配
• 动态内存分配完了也能改，存的是引用类型，由程序员和编程语言的特性来管理，在程序运行期间分配