Память является ключевым понятием для программирования. В ЭВМ существует иерархия видов памяти, образующая своеобразную пирамиду:
Рисунок 1. Иерархия памяти
Верхний уроверь занимает регистровая память. Далее располагаются многоуровневые кэши. Ниже есть слой ОЗУ, который представляет собой основной рабочий тип памяти. Далее идут слои, относящиеся к внешней памяти.
В этой "пирамиде" по мере движения от верхних уровней к нижним, размер памяти возрастает, а быстрота доступа и стоимость условного бита падают. Таким образом, наиболее быстрой является регистровая память, а наиболее медленной - внешняя.
Кроме того, вся память, кроме внешней - энергозависима и ее содержимое пропадает, после выключения питания.
Память в операционной системе может быть представлена как физическая и виртуальная. Первому виду памяти соответствует реальное аппаратное обеспечение (набор микросхем, устройства), а второму - не соответствует. Виртуальная память выделяется каждому запущенному на выполнение процессу в виде фиксированного блока, размер которого определяется разрядностью ОС. Например, в 32-битной системе размер виртуального адресного пространства процесса равен 4ГБт.
Фактически программа использует только виртуальную память, а ее отображение на физическую осуществляет ОС.
Содержание этого вопроса зависит от операционной системы, от используемых в ней соглашений по распределению памяти. Рассмотрим в качестве примера структуру памяти для процесса в linux:
В этой памяти можно выделить следующие подобласти:
- стек
- куча
- сегменты статических данных (и кода) процесса
Все эти области имеют важное значение для программы, поскольку все данные размещаются в них, в соответствии с классами хранения.
Для программы, в не зависимости, какая область памяти использована, простейшее представление выглядит следующим образом:
Память делится на ячейки одинакового размера (1Бт, 8 двочиных разрядов или бит). Местоположение каждой ячейки определяется адресом, то есть порядковым номером.
Каждая ячейка может иметь 2^8 (256) вариантов состояния, что является недостаточным для реальной жизни, поэтому ячейки объединяются вместе, образуя виртуальные ячейки произвольного размера (обычно кратные 2), имеющие больше состояний.
Таким образом, минимальной единицей памяти выступает ячейка, у которой есть адрес, размер и некоторое значение, зависящее от соглашений по поводу типа, то есть трактовки состояния ячейки.
Узнать адрес, размер и значение ячейки можно с помощью специальных операций, как показано в следующей программе:
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int a;
cout<<&a<<" "<<sizeof(a)<<" "<<a<<endl;
return 0;
}Класс хранения определяет, в какой области памяти будет размещена переменная, откуда в программе к ней может осуществляться доступ и сколько переменная будет жить по времени.
Для переменных, объявленных в фигурных скобок без ключевого слова static используется автоматический класс хранения:
int main()
{
int a;
}Эти переменные получают адрес в стековой памяти в мемент входа в блок (пару скобок) и живут до тех пор, пока управление не выйдет за фигурные скобки.
Значение неинициализированной переменной не определено.
При использовании внутри фигурных скобок слова static память под переменную выделяется в статической области.
int main()
{
static int a;
}Переменная живет в течении всего времени выполнения программы и инициализируется нулем.
Имеется возможность попросить компилятор по возможности связать переменную с регистром процессора для ускорения работы с ней. Для этой цели предусмотрено ключевое слово register. Но в этом случае на переменнную накладывается ряд дополнительных условий: например, она по размеру не может быть больше чем регистр, не производится операций с ее адресом.
Написать программу, в которой объявлены переменные с автоматическим и статическим классом хранения, а затем сравнить их адреса и значения.