深入理解計算機系統(tǒng)——信息的存儲和表示

youxd 2017-09-14

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1、信息的存儲

什么是信息？信息是客觀事物屬性的反映，是經(jīng)過加工處理并對人類客觀行為產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式。

那么我們這里也要提一下什么是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是反應(yīng)客觀事物屬性的記錄，是信息的具體表現(xiàn)形式。任何事物的屬性都是通過數(shù)據(jù)來表示的，數(shù)據(jù)經(jīng)過加工處理后成為信息，而信息必須通過數(shù)據(jù)才能傳播，才能對人類產(chǎn)生影響。

例如，數(shù)據(jù)2、4、6、8、10、12是一組數(shù)據(jù)，其本身是沒有意義的，但對它進行分析后，就可得到一組等差數(shù)列，從而很清晰的得到后面的數(shù)字。這便對這組數(shù)據(jù)賦予了意義，稱為信息，是有用的數(shù)據(jù)。

計算機內(nèi)所有的信息均以二進制的形式表示，也就是由值0和值1組成的序列。大多數(shù)計算機使用8位的塊，或者說字節(jié)（'位(bit)'是電子計算機中最小的數(shù)據(jù)單位，每一位的狀態(tài)只能是0或1。8個二進制位構(gòu)成1個'字節(jié)(Byte)'），來作為最小的可尋址的存儲器單位，而不是在存儲器中訪問單獨的位。

也就是說我們訪問計算機最小的單位是八個位構(gòu)成的字節(jié)，而不是值0或值1的單個位。

程序會將存儲器視為一個非常大的字節(jié)數(shù)組，稱為虛擬存儲器（virtual memory）。存儲器的每一個字節(jié)都由唯一的數(shù)字來標識，也就是我們說的地址（address），所有可能地址的集合稱為虛擬地址空間（virtual address space）

比如 C 語言中的一個指針的值，無論它是指向一個整數(shù)、一個結(jié)構(gòu)或是某個其他程序的對象，都是某個存儲塊的第一個字節(jié)的虛擬地址。

編譯器和系統(tǒng)運行時是如何將存儲器空間劃分為更可管理的單元，用來存放不同的程序?qū)ο?。這個后面會詳細介紹。

2、十六進制表示法

一個字節(jié)由 8 位組成。在二進制表示法中，它的值域為 00000000——11111111；如果用十進制表示就是0——255。這兩種表示法用來描述計算機中的位模式（計算機中所有二進制的0、1代碼所組成的數(shù)字串）來說都不是很方便。二進制表示法太冗長，而十進制表示法與位模式的互相轉(zhuǎn)化又比較麻煩。這時候十六進制數(shù)產(chǎn)生了，十六進制使用數(shù)字‘0’~‘9’，以及字符 ‘A’~'F’來表示16個可能的值。一般是 0x 或者 0X 開頭。規(guī)則是：借一當十六，逢十六進一。

比如十進制數(shù) 175，我們用十六進制表示為 0xAF。

十六進制與十進制、二進制之間的互相轉(zhuǎn)換這里就不詳細講解了，相信了解編程的對這個應(yīng)該是很熟悉了。

3、字

計算機進行數(shù)據(jù)處理時，一次存取、加工和傳送的數(shù)據(jù)長度稱為字（word），一個字通常由一個或多個（一般是字節(jié)的整數(shù)位）字節(jié)構(gòu)成，字的位數(shù)叫做字長（word size），每臺計算機都有一個字長，用來指明整數(shù)和指針數(shù)據(jù)的標稱大小（nominal size）。由于虛擬地址空間中的地址就是使用一個字來編碼的，因此字長決定了系統(tǒng)的虛擬地址空間的最大大小。

通俗來講：字長是CPU的主要技術(shù)指標之一，指的是CPU一次能并行處理的二進制位數(shù)，字長總是8的整數(shù)倍，通常PC機的字長為16位（早期），32位，64位。

比如：LZ 打開命令提示符，然后輸入 systeminfo，可以看到處理器的位數(shù)是 64 位

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也就是說 LZ 的電腦字長為 64 位，不過現(xiàn)在基本上 CPU 都是64 位的，但是為了發(fā)揮64位字長的優(yōu)勢，我們必須與64位軟件相輔相成，比如你得安裝64位操作系統(tǒng)，否則的話，在32位軟件系統(tǒng)中64位字長的CPU只能當32位用。

4、數(shù)據(jù)大小

計算機和編譯器支持多種不同方式編碼的數(shù)字格式，比如整數(shù)和浮點數(shù)，以及其它長度的數(shù)字。而且由于計算機位數(shù)的不同，會造成計算機在各種數(shù)據(jù)類型分配的字節(jié)數(shù)不一樣。下圖是 C 語言在 32位機器和64 位機器上各種類型所分配的字節(jié)數(shù)對比。

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我們可以看出，對于長長整形（long long int）以及字符指針類型（char *）來說，在32位和64位系統(tǒng)下的字節(jié)數(shù)是不同的。所以在編程時，考慮到系統(tǒng)的移植性，這是我們必須要考慮的。

注意：對于指針類型，由于指針指向的是地址，而虛擬空間的大小是由字長決定的。所以在32位系統(tǒng)下，指針大小為4個字節(jié)，在64位系統(tǒng)下，指針大小為8個字節(jié)。

5、尋址和字節(jié)順序

對于跨越多個字節(jié)的程序?qū)ο螅ǔ绦驅(qū)ο笾钢噶?、?shù)據(jù)或者控制信息等，是程序當中對象的統(tǒng)稱）來說，我們需要制定兩個規(guī)則：

①、這個對象的地址是什么？

②、在存儲器中如何排列這些字節(jié)？

在幾乎所有的機器上，多字節(jié)對象都被存儲為連續(xù)的字節(jié)序列，對象的地址為所使用字節(jié)中最小的地址。

比如：假設(shè)一個類型為 int 的變量 x 地址為 0x100，也就是說地址表達式 &x 的值是 0x100，那么，x 的 4 個字節(jié)將被存儲在存儲器的 0x100,0x101,0x102,0x103的位置。

第一個規(guī)則解決了，那么第二個規(guī)則如何排列呢？采用如下兩種方式：

小端法：按照從最低有效字節(jié)到最高有效字節(jié)的順序存儲對象，也就是最低有效字節(jié)在最前面。

大端法：和小端法相反。是按照從最高有效字節(jié)到最低有效字節(jié)的順序存儲對象，也就是最高有效字節(jié)在最前面。

回到上面的變量 x,如果假設(shè) x 的高位字節(jié)值到低位字節(jié)值分別為 67，45，23，01。那么用大端法和小端法表示分別如下：

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由于排列字節(jié)的方式有兩種，那么這就產(chǎn)生問題了。比如當小端法機器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被發(fā)送到大端法機器或者反方向發(fā)送的時候就會發(fā)現(xiàn)，接收程序里的字節(jié)成了反序。

為了避免這種情況，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的代碼編寫必須遵循已建立的關(guān)于字節(jié)順序的規(guī)則，以確保發(fā)送方機器將它的內(nèi)部表示轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)標準，而接收方機器則將網(wǎng)絡(luò)標準轉(zhuǎn)換為它的內(nèi)部表示。

6、數(shù)據(jù)類型

上面我們在講解第4小點數(shù)據(jù)大小時，我們給出了 C 語言中很多的數(shù)據(jù)類型。那么數(shù)據(jù)類型到底是什么呢？

程序編碼中，計算機是不認識我們所定義的數(shù)據(jù)類型的。數(shù)據(jù)類型的出現(xiàn)是為了把數(shù)據(jù)分成所需內(nèi)存大小不同的數(shù)據(jù)，編程的時候需要用大數(shù)據(jù)的時候才定義大數(shù)據(jù)類型，然后編譯器編譯標記需要申請大內(nèi)存，就可以充分利用內(nèi)存。例如大胖子必須睡雙人床，就給他雙人床，瘦的人單人床就夠了。

那么我們可以根據(jù)上面的尋址和字節(jié)順序得出，計算機在解釋一個數(shù)據(jù)類型的值時主要有四個因素：位排列規(guī)則（大端或者小端）、起始位置、數(shù)據(jù)類型的字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)類型的解釋方式。

對于特定的系統(tǒng)來說，前兩種因素都是特定的，而對于后兩種因素的改變，則可以改變一個數(shù)據(jù)類型的值的最終計算結(jié)果，這就是強制類型轉(zhuǎn)換。對于大部分高級程序設(shè)計語言來講，都提供了強制類型轉(zhuǎn)換。強制類型轉(zhuǎn)換有時候會讓結(jié)果變的讓人難以預(yù)料，所以我們需要慎用。