基础－程序与内存（一）

数据的“生死”

请问，这是什么？

（世界）

随手画的一个“圆”。这里用它来表示“世界”，或者说“人世间”。

请问，这又是什么？

（生：一个人来了这世界）

这是一个人出生了，来了这世界，开始他几十年的生涯。

（死：一个人离开了这世界）

没错，这回代表这个人死了：“他离开了这世界……”。

子路问孔子：“何为死？”，孔子生气了：“未知生，焉知死？”。现实生活中，我确实经常于坐马桶时，顺便摆出“思想者”的姿势，很臭屁地深思“人为什么活着？又为什么要死？”这样的问题。但我深知这类问题看似幼稚，其实深遂得没有答案；所以断断不敢在C＋＋课程里妄讲这课题。不过让借此我来讲讲计算机程序的“生死”问题，我可以凑个数。

请问，这是？

（内存）

这是内存。（有同学问为什么“内存”这么像梯子，这个问题请改为考虑“世界”为什么像个鸡蛋）。

继续请问，这又是什么？

（数据来到内存）

现在数据“生”，或者说“活着”，因为它进入内存的世界。

最后，这是什么？

（数据“离开了”内存）

你当然可以说这又是“内存”，但根据上下文，同一张图这时表示数据离开内存，因此内存里又空空的没有数据了——它们来了，它们又走了。

人的生死，在医学判定上或者有“心死亡”或“脑死亡”等标准，但我们不管，只认为人来到世界，就是“生”，离开世界，不能在这世界上活动了，就是“死”。

计算机中有很多数据，它们的世界就是内存，它们的舞台就是内存。

比如你从网上下载了一首MP3的歌。当你不用听时，歌曲的数据保存在硬盘上，或者你的U盘上，或者刻在某张光盘上，这首歌都是“死”的。只有在你用像“千千静听”等播放器开始播放时，这首MP3才“活”过来。请记住：这时，MP3歌的数据，被（播放软件）加载到你的电脑的内存中。硬盘、光盘、U盘、软盘这些存储器叫“外存”。之所以“外”，倒不是因为说这四者中有三者一般是位于电脑机箱之外，而是因位它们位于CPU指令可以直接读写的范围之外。CPU，外存、内存的关系，我们后面讲。

其它的一样，比哪相片。如果你自拍了一张相片，如果你不想用看图软件打开欣赏，那么它们就是“死”的。

数据的加载

在我们来到世界之先，我们在哪里？在我们离开这世界之后，我们去了哪里？我们无从知道，更惶论“我们为什么要来，为什么要去”这类问题了。因为我们只是一段“数据”，一个“符号”，所以我们不知其然，更不知其所以然。问题的答案可能在上帝那里。

计算机的数据也如此。它们不会，也没有权力自动跑入内存，或离开内存。必须有“上帝”的存在。对于普通数据而言，它们的上帝就是程序。

程序当然更是如此。只不过普通数据是通过程序（或称为软件）加载到内存。而程序则是由操作系统来加载到内存中。我们列张表示意一下这层关系：

（普通数据的加载）

程序也是数据

没错，对于计算机而言，一切都是数据。程序也是一种数据，一个程序的体内，往往也包括大量的普通数据及指令数据。因此程序本身也需要有它的上帝来负责它的生死。

（程序数据的加载）

对于人来说，世界太重要了；对于程序来说，内存太重要了，因为内存就是程序赖于存活的世界。对于写程序的人，也就是程序员来说，世俗世界和内存世界一样重要；对于用C＋＋程序员来说，内存有时甚至比世界还要重要：C＋＋语言放心地把内存的生死大权交到程序员手里，如果一个C＋＋程序员掌握不了内存释放与收回，那他往往会感觉到“生不如死”。

所以在我们第一节基础课，我们就开始讲内存。

作为开题的结束，我们来看一张图，这张图相对完整地画出文件、程序与内存、外存、CPU之间的关系，同时也示意了程序从生到死的过程。

（文件、程序、内存、外存、CPU）

(作业：请运行附件中的画笔程序，画一张图，并保存，然后重看本图。)

程序数据的分类

程序＝指令＋数据

现在我们了解到：程序在“活”的时候——这么说难免有些土——程序在运行的时候，它必须装载到内存中。我们了谈到：程序是一种特殊的数据。事实上程序包含一些指令和普通数据。怎么理解指令和数据的区别呢？普通数据就是电脑读了之后，可以“知道”一些信息，但不会依据这些信息去做点什么事；而指令则有针对特定的CPU而制定的特定信息，电脑的大脑“CPU”会依据这些指令而完成某些动作。我们来举个例子。

假设女朋友给你写了张纸条：“我爱你”。那我可以认为这是“数据”，因为或许你会因为这句话而感到幸福，或许你还会由此而决定去做些什么，但这并不是“我爱你”这句话给出的指示。

如果女友上面写的是“今晚7点，老地方见。”，那就是指令了，你该做的事情非常明确。

我们还知道，程序可以在运行时，从外部（比如外存）读入一些数据，或者输出一些数据。一个相对复杂的程序，不得不需要在运行时才从外部读入数据。

现在知道程序＝指令＋数据，现在综合考虑一下。

首先、“程序”是什么？

我们认为，程序就是把解决某个问题的思路或逻辑，用计算机语言表达出来，然后交给计算机去执行。这一点上说，程序很像人类的知识积累。一台电脑，如果它的程序越多，显然它能解决问题也越多。比如一台电脑有装杀毒软件，那么当电脑染毒时，就可以通过运行杀毒软件来解决。用人来比喻，一个婴儿，头脑里差不多只有一个“程序”：“哭”。不管饿了痛了，都运行“哭”这道程序。而换了大人呢，可选的程序就多了，叫外卖？下馆子？做饭？等等。

说到做饭，有句话叫“巧妇难为无米之炊”。既然是“巧”，我们可以认为：在“炊”这方面，该妇掌握了充足以及熟练的“指令”；但又为什么“难为”呢？因为“无米”。米就是“数据”。程序的本质就是根据一些“指令”去处理一些数据，二者缺一不可。所以才有这个等式：程序＝指令＋数据。

我们之前还谈过有关“做菜”的“程序”，或许大家可以做个比照。在这里《更多感受－Hello OO》；最初出处在：《第一感受——main 函数》。

程序＝指令、静态数据、动态数据

接下来，我们再根据获得数据的时机，来对数据进行区分。

既然“程序”和人的“思路”有可比性，我们就继续用来的“思路”，来说明“数据”有几种机会可以获取。

问题1：“给女朋友打个电话”。

这个问题需要运行你大脑中“打电话”的程序。过程是：摘起话机，然后拔出号码——别以为这不是程序，我那70多岁的奶奶就不会这道程序——另外这个程序需你知道要拔出的号码。因为是女友的，所以号码就在你脑海里，所以你不需要从外部读入数据。

问题2：“给女朋友的亲友团打电话”。

表面上还是打电话程序，但这回你记不得所有人的电话，所以你从外存——也就是你口袋里掏出通讯录，然后你通过眼睛这个设备，扫描一个号码，瞬间存到脑里（内存是也），然后再拔出去。

这两个问题对比，说明什么？一个人要办成一件事，他需要有一定的记忆力，用于长久地记下一些数据。但显然他不需要把所有数据都死记在脑海里，很多数据可以动手时才从外部获得。这两者缺一不可。

程序也如此：有一些数据是程序编制时，就可以确定下来；还有一些数据，需要在程序运行时才从外部读入。我们可以称前者为“静态数据”，后者为“动态数据”。

程序被操作系统加载进内存时，包括了指令数据和“静态数据”；之后程序继续运行，之后它会根据指令，从外部读入一些数据（也是读入到内存）。

我们由此得出一个新的结论，我们分为两点描述：

1、当程序处于“死”的状态，也就是程序没有进入内存，仅仅是你硬盘上的一个文件时，它包含指令和静态数据。

2、当程序进入内存，变为“活”的状态时，程序分根据需要，从外部（比如硬盘）读入外部数据。这时候，我们才认为“程序＝指令＋静态数据＋动态数据”。

程序在内存的映射

有了前面的2点式结论，有关程序在内存的映射——也就是程序在内存中长什么样子？这一问题就好回答了，这回我们来个3点式的：

1、内存必须为程序的指令分配空间

2、内存必须为程序的静态数据分配空间

3、内存必须为程序的动态数据预留空间

前两点都是“分配空间”，但关于“动态数据”，则为“预留空间”。这又是为什么呢？

因为对于一个写定的程序，它的指令数据和静态数据的大小，是固定的；动态数据则在程序运行期间才决定要读入什么数据，多少数据。

比如前面的提到的例子：“给女朋友的亲友团打电话”，今天亲友团可能是100人，一个月以后，可能就变化为200人了——这完全依赖于你女友的交际能力。

“预留”具体又是什么意思呢？大意就是程序需要内存时，它的“上帝”，也就是操作系统（OS）必须能给它。突当我们年轻时，当我们决定要去追妞时，我们就会父母说：“我准备谈恋爱啦，请你们在金钱能为我有所预留。”于是我们每一次伸手，爸妈就会满足我们——直到有一天，从来不懂程序的爸妈，突然向我们请教：“孩子，你懂有一种内存，叫做‘虚拟内存’吗？”

当操作系统不太好满足程序的内存需求时，它就会把一部数据暂时保存到硬盘上，然后通过一定手段来实现由外存模拟成内存，这就叫做“虚拟内存”。

钱对于人生很重要，内存对于每个程序都很重要，但最关心内存的，还是操作系统，因为它要负责太多的程序的生死。因此，一个有道德的程序，在自己需要时伸手要完内存之后，必须记得在不需要时，归还内存，千万不能占着内存不拉 屎。

对于由Java或C＃等语言写的，由虚拟机（或类虚拟机）运行的程序，内存的释放动作，由虚拟机（或类虚拟机）实现；因此这类语言的程序员，在这方面很轻松，当然他们也失去了一些控制权。（我不喜欢自动档的车，你呢？）

对于C＋＋程序，“自动回收”和“手动回收”两种动态内存同时存在，其中“手动回收”的意思，就是程序员必须写上特定的代码，才能把某一段内存释放给操作系统，内存的生杀大权所握在程序员手里，有了权力如何才不滥用？事实上这就是要求C＋＋程序员必须具备很高的道德情操。反过来说，一个优秀的C＋＋程序员，就必然是一个“有理想、有道德、有文化、有纪律”的“四有新人”……

有点跑题……最新的结论是：对于C＋＋，它动态内存，又区分为两种：“自动回收”和“手动回收”。

让我们再列一个1,2,3：

1. 程序包括“指令”和“数据”

2. 数据分为“静态数据”和“动态数据”。其中“静态内存”是程序一开始就有，而“动态内存”则在运行时，根据需要读入到内存，并且动态分配它的大小。

3. “动态数据”又分为“自动回收”和“手动回收”两种。

存储指令的内存空间，我们也称为“代码段”。而为静态数据分配的空间，也称为“数据段”。存放“自动回收”的动态数据的内存空间，我们称为“栈空间”；存放“手动回收”的内存空间，我们称为“堆空间”。

（程序的内存段命名）

我们也可以重新画一张程序的内存映射示意图了。当一个程序“活着”时，也就是说当这一个程序还存在于内存中时，它长这个样子：

（程序的内存映射）

为什么我要在“堆”和“栈”两个位置各放一颗星星呢？因为，它们是我们下一节课的重点：下节课我们依然讲“程序与内存”。作为对比，本节课主要讲解一个完整程序的生与死，一个完整程序应用的内存数据；而下一节，我们主要讲一个程序在运行期时，也就这个程序活着的时候，它内部的“动态数据”的生死过程。

好累，下一节见！

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