記憶體和數據表示

8.1 記憶體

記憶體 (RAM, 隨機存取記憶體) 是一個由許多記憶體單元組成的陣列，每個單元都有一個獨特的地址。這些單元可以存儲各種類型的數據，比如數字、字符和指標。當程序執行時，它將其數據和指令放置在此記憶體中以便快速訪問。

記憶體單元示例：

每個單元有其序號，也被稱為記憶體單元的地址或簡稱地址。如果你的電腦有8 GB的內存，那麼它就有80億個這樣的單元，可以用來存儲一些有用的東西。

比特與位元組

每個單元可以存儲一個位元組的信息。每個位元組由8個比特組成，每個比特只能包含0或1。示例（對於正整數）：

變數佔用的位元組越多，能存儲的值越多。舉例說明：

• 1個位元組— 256個唯一值
• 2個位元組— 65千個唯一值
• 3個位元組— 16百萬
• 4個位元組— 40億

8.2 資料如何在記憶體中表示

數據類型及其表示

數值數據 在處理器內部和記憶體中

• 整數：以二進制形式存儲。大小可以有所不同（1個位元組、2個位元組、4個位元組）。
• 浮點數：以浮點格式存儲（例如，IEEE 754格式的4位元組和8位元組數字）。

x = 42  # 整數
y = 3.14  # 浮點數

重要！ 在 Python 中，內建類型 int 和 float 是完整的類，可以實現無限長數字的複雜計算。然而，如果你使用科學計算或人工智慧的庫，你將會遇到我上面提到的數據格式。

字符數據 在電腦記憶體中

字符和字符串在記憶體中以位元組序列的形式存儲。例如，在ASCII編碼中，每個字符佔用1個位元組，而在UTF-8編碼中，可以佔用1到4個位元組。

在 Python 3.x 中，字符串默認使用UTF-8編碼，但你可以讀取以其他格式存儲文本的文件或在網絡上不以UTF-8編碼傳輸數據。

示例：

char = 'A'  # 字符
string = "Hello, world!"  # 字串

Python中的單個字符沒有自己的類型——它們也使用str類型。然而在記憶體中，這些字符串以字符為單位存儲。通常一個字符佔用1到4個位元組。

指標

指標存儲其他記憶體單元的地址。它們允許程序處理動態數據結構並更有效地管理記憶體。

示例：

list = [1, 2, 3, 4]  # 列表
list_pointer = id(list)  # 指向列表開頭的指標

8.3 在記憶體中數據表示的示例

1. 整數表示

整數以二進制數（比特）形式存儲在記憶體中。根據數據類型，它們可以佔用不同數量的位元組。例如，int通常佔用4個位元組（32位）。

這是數字42在記憶體中的表示方式：

2. 浮點數表示

浮點數（例如，float類型）以浮點格式存儲，通常是IEEE 754標準。float通常佔用4個位元組（32位），而double則佔用8個位元組（64位）。

重要！這是標準的數據類型，與記憶體和處理器綁定。Python中的float類型對應於通常的double類型，佔用8個位元組。

這是數字3.14在記憶體中的表示方式：

3. 字符和字符串表示

字符（例如，char類型）以位元組序列的形式存儲在記憶體中。字符串是字符的陣列。在 C/C++ 語言中，字符串以零位元組 (\0) 結束，但是在 Python 中不是這樣。

這是字符串Hello在記憶體中的表示方式：

這進一步將表示為0和1：

8.4 動態記憶體的地址

動態記憶體在程序執行期間根據需要分配和釋放。您在 Python 中創建的所有對象都在此記憶體中創建。

它分為兩種類型：

堆 (Heap): 用於分配動態對象的記憶體區域。通過分配函數（例如，C 中的 malloc）和釋放函數（例如，C 中的 free）來管理此記憶體。

棧 (Stack): 用於存儲本地變數和函數調用數據的記憶體區域。當進入和退出函數時，記憶體會自動分配和釋放。

再次，我無法用 Python 語言舉例說明，因為它對這些操作來說太高級了。我可以再舉一個 C 語言的例子：

// 為10個整數的陣列動態分配內存
int *dynamic_var = (int *)malloc(sizeof(int) * 10); 

// 釋放內存
free(dynamic_var);  

記憶體地址化 是為每個記憶體單元分配唯一地址的過程。每個地址指向記憶體中的特定位置，可以包含數據或指令。

地址類型

物理地址化：直接訪問記憶體單元的物理地址。由硬件（例如，記憶體控制器）管理。

虛擬地址化：使用如頁面記憶或分段記憶這樣的記憶管理機制，為進程提供隔離和保護的地址空間。