内存和磁盘

内存与磁盘：协同运作的存储层级

在计算机系统中，内存（主存）和磁盘（辅存）是构成存储层级的核心部件，它们通过互补的特性解决了 “速度、容量、成本” 的三角难题。 “8G 内存运行 10G 游戏” 的场景，正是两者协同工作的典型案例，背后涉及关键技术和原理：

突破内存容量限制的核心：虚拟内存与局部性原理

局部性原理：程序运行的 “潜规则”

程序在执行时，并非同时需要所有数据，而是呈现出明显的局部性：

• 时间局部性：最近访问的数据（如游戏角色的坐标、当前场景的纹理）在短期内可能再次被使用。
• 空间局部性：访问某一数据时，其相邻数据（如同一地图区块的相邻像素）也大概率被访问。

例如，10G 的游戏中，真正需要实时加载到内存的可能只是当前关卡的模型（2-3G）、音效缓存（几百 MB）和运行逻辑（几百 MB），其余未激活的关卡、冗余资源可暂存到磁盘。

虚拟内存技术：内存与磁盘的 “无缝衔接”

操作系统通过虚拟内存技术，将磁盘空间 “冒充” 为内存的一部分，实现 “小内存运行大程序”：

• 地址映射：程序看到的是连续的 “虚拟地址空间”（如 10G），但实际只有部分映射到物理内存（8G），其余映射到磁盘的 “交换区”（Swap 分区）。
• 页置换机制：当内存不足时，系统通过算法（如 LRU，最近最少使用）将最久未访问的 “内存页”（通常 4KB 大小）写入磁盘，再将新需要的页从磁盘读入内存。这个过程对程序透明，仿佛拥有了 10G 内存。

内存（RAM）：高速但易失的 “临时工作台”

为什么是 “随机存取”？

RAM（随机存取存储器）的 “随机” 指可以直接通过地址访问任意位置数据，无需像磁盘那样逐扇区查找。例如，访问内存中第 1000 个字节与第 1 个字节的速度相同，这使得 CPU 能高效读写数据（延迟约 10-100 纳秒）。

断电数据丢失的本质

• DRAM（动态 RAM）：手机 / 电脑的内存多为 DRAM，其核心是电容—— 充满电表示 “1”，放电表示 “0”。但电容会自然漏电，因此需要每 64ms 刷新一次以维持电荷。断电后，电容无法刷新，电荷迅速流失，数据丢失。
• SRAM（静态 RAM）：无需刷新（靠触发器电路存储数据），速度更快（接近 CPU 速度），但成本高、容量小，仅用于 CPU 内部缓存（L1/L2/L3）。

磁盘：低速但持久的 “仓库”

机械硬盘（HDD）的存储原理

• 物理结构：盘片表面有同心圆 “磁道”，磁道划分为 “扇区”（512 字节或 4KB），数据通过磁头感应磁道的磁化方向（N/S 极）来读写。
• 访问延迟：磁头移动到目标磁道（寻道时间，约 5-10ms）+ 盘片旋转到目标扇区（旋转延迟，约 4-8ms），总延迟是内存的 10 万倍以上。

手机中的 “磁盘”：闪存（Flash）

现代手机用NAND 闪存替代机械硬盘，虽无物理磁头，但仍属于辅存：

• 原理：通过浮栅晶体管捕获电子存储数据（电子多为 “0”，少为 “1”），无需供电即可长期保存。
• 优势：无机械延迟（访问延迟约 0.1-1ms）、抗震性强，适合移动设备。

内存与磁盘的核心差异

特性	内存（RAM）	磁盘（HDD / 闪存）
存储介质	电容（DRAM）/ 电路（SRAM）	磁道（HDD）/ 浮栅晶体管（闪存）
访问速度	纳秒级（快）	毫秒 / 微秒级（慢）
易失性	断电丢失数据	断电保留数据
容量 / 成本	小容量，高成本（如 8G 内存约 200 元）	大容量，低成本（如 1TB 闪存约 300 元）
核心作用	实时运行程序和数据	长期存储程序、文件和虚拟内存交换区