最近工作中，经历了很多项目问题的调试，把这些问题归总起来，其中和存储有关的，独占一半。而存储对计算机系统造成的影响又可分为两块：一是系统功能的稳健性；二是程序的执行效率。

存储器结构

1.1 存储器层次结构

由于访问速度、成本、功耗等指标的制约，计算机系统中的存储往往不是作为一个单一的大块存在，而是被设置成一个多级的层次结构。作为一个程序员，需要理解存储器层次结构，因为它对应用程序的性能有着巨大的影响。

图1中展示了一个典型 计算机系统的存储层级结构。和金字塔模型很像，越靠近金字塔顶端的存储器，离CPU越近，访问更便利且访问速度快，但同时它们的容量也越来越小；反之越靠近底层，存储容量越大，访问速度却越来越慢。

最高层的L0，是CPU寄存器，CPU可以在一个时钟周期内访问他们；接下来是一个或多个小型到中型的基于SRAM的高速缓存存储器，可以在几个CPU时钟周期内访问它们；然后是一个大的基于DRAM的主存，可以在几十到几百个时钟周期内访问它们；接下来是慢速但容量很大的本地磁盘；最后，甚至有些系统会通过网络访问其远程服务器上的磁盘。

图1 存储器层次结构

高速缓存可以存在一级或多级，甚至不存在于一些低性能的单片机中。TI C64X架构中设计有2级的高速缓存，其数据和代码的存取机制在本订阅号之前的文章“TI C6000 数据存储处理与性能优化”中有过描述。

1.2 存储器的访问

一个编写良好的计算机程序常常具有良好的局部性（locality）。

局部性通常有两种不同的形式：时间局部性和空间局部性。

• 时间局部性：在一个具有良好时间局部性的程序中，被访问过一次的内存位置很可能在不远的将来再被多次访问 。

• 空间局部性：在一个具有良好空间局部性的程序中，如果一个内存位置被访问 了一次，那么程序很可能在不远的将来访问 附近的一个内存位置。

例如对一个二维数组求和：

for (i=0; i<M; i++)

     for(j=0; j<N; j++)

          sum += data_tab[i][j];

其中，sum在循环迭代中被多次访问，它具有良好的时间局部性，但因其为标量，因此没有空间局部性。对二维数组data_tab而言，其元素在存储中顺序存储，因此有好的空间局部性，但由于其每个元素只访问一次，因此时间局部性很差。

另外，假设把上面第三行替换成：

sum += data_tab[j][i];

由于二维数组是按行依次存储，则每次循环对内存访问的步长由1变为N，空间局部性变差。像这样看上去对程序很小的改动对它的局部性有很大的影响。

存储类型

2.1 随机访问存储器（RAM）

上电使用，掉电存储内容丢失。

静态RAM（SRAM）：存储单元具有双稳态特性，上电就能保持它的值，对光和电噪声等干扰不敏感。它使用晶体管多，因而密集度低，更贵，功耗更大。

动态RAM（DRAM）：对每个位存储为对一个电容的充电，因漏电的原因需要不断刷新来保持存储值。

• SDRAM（Synchronous DRAM）：用与驱动内存控制器相同的外部时钟信号的上升沿，来作为控制信号。

• DDR SDRAM（Double Data-Rate Synchronous DRAM）：通过使用两个时钟沿作为控制信号，从而使DRAM的速度翻倍。它是用提高有效带宽的很小的预缓冲区的大小来划分的，如DDR（2位）、DDR2（4位）、DDR3（8位）。

表1 SRAM与DRAM性能比较

2.2 非易失性存储器

非易失性存储器，即使在关电后仍能保存着它们的信息。由于历史的原因，它们也被整体成称为ROM（Read Only Memory），但很多ROM类型是即可以读也可以写的。

PROM（Programble ROM）：只能被编程一次，PROM的每个存储器单元有一种熔丝，只能用高电流熔断一次。

EPROM（Erasable Programble ROM）：可擦写可编程，对它的编程是通过一种把1写入EPROM的特殊设备来完成的。

EEPROM（Electrically Erasable Programble ROM）：电子可擦除，不需要一个物理上独立的编程设备，因此可以直接在芯片上编程，能被编程的次数可以达到10e5次。

闪存（flash）：基于EEPROM的一类非易失性存储器。对它写数据必须先将芯片中对应的内容清空，然后再写入，也就是通常说的“先擦后写 ”。

• NAND flash：对它的操作以“块 ”为基本单位，因此要修改一个字节，必须重写整个数据块。它的容量大，适合做大量数据的存储。

• NOR flash：对它的操作以“字 ”为基本单位。它的容量相对较小，成本大，一般用来存储程序。

2.3 磁盘

磁盘由盘片构成，它是广为应用的保存大量数据的存储设备。不过从磁盘上读信息的时间为毫秒级，比从DRAM读慢了10万倍，比从SRAM读慢了100万倍。

栈和堆

3.1 栈（stack）

栈是一个“后进先出”的存储空间，程序运行中，代码“过程 ”涉及到的返回地址、过程参数、需要保存的寄存器信息都被压入栈中，过程中声明的临时变量也是在栈中开辟存储。

过程的形式多样：函数、方法、子例程、中断处理函数等。当过程需要的存储空间超出寄存器能够存放的大小时，就会在栈上分配空间，这部分空间称为过程的栈帧。

通常，栈底位于高地址，随着数据的压入，栈向低地址方向增长，而栈指针指向栈顶。将栈指针减少一个适当的量，可以为没有指定初始值的数据，在栈上分配空间；类似的，可以通过增加栈指针来释放空间。因为栈的位置取决于.stack段分配在什么地方，所以栈的实际地址是在连接时决定的。

假设过程P调用过程Q时，相关的控制和数据信息添加到栈尾，当Q返回时，这些信息会释放掉。如果存在多级调用（包括递归调用），较早的栈帧也会累积下来，直到它对应的过程结束。