计算机如何存储数据——从记忆到意义
Source: Dev.to
为什么了解内存会改变你对计算机的认知
每当你保存文件、打开应用或关闭电脑时，背后都有一场无声的编排在进行。数据在闪电般快速的内存和较慢、持久的存储之间来回移动。有些信息能够在断电后仍然保存，有些则会瞬间消失。
大多数人知道计算机有内存——但很少有人了解 不同类型的内存是如何协同工作的，以及这对性能、可靠性，甚至安全性有什么影响。
在本文中，我们将拆解 计算机如何存储数据，从易失性 RAM 到持久存储、文件系统、加密，以及内存技术的下一步发展。没有废话，只有你可以永远复用的坚实思维模型。
持久性内存 vs. 易失性内存 — 核心区别
在最高层面，计算机以 两种根本不同的方式 存储数据。
持久性内存
即使计算机关机也能保留数据。
- 硬盘驱动器 (HDD)
- 固态驱动器 (SSD)
- 固件存储
- BIOS / UEFI 内存
易失性内存
断电后会丢失所有数据。
- RAM（随机存取存储器） – 最常见的形式
仅凭这一区别就能解释：
- 为什么未保存的工作会丢失
- 为什么重启可以解决某些问题
- 为什么升级 RAM 能提升性能，却不增加存储容量
易失性内存 — 速度至上
RAM：计算机的工作空间
RAM 将活动程序和数据保持对 CPU 即时可访问。它的速度远快于任何形式的磁盘存储，但它并不是系统中最快的内存。
CPU 缓存和寄存器
在 CPU 本身内部还有更快的内存：
- 寄存器 – 最快的存储，保存计算中主动使用的数值
- CPU 缓存（L1、L2、L3） – 极小但极快的层级，减少对经常使用数据的访问时间
这些内存以 纳秒级速度 工作，是现代性能的关键。
持久内存 — 数据的长期存放
持久存储有多种形式，每种形式都针对耐久性而非速度进行优化。
常见的持久存储类型
- BIOS / UEFI 内存 – 初始化系统并启动引导过程。
- 固件 – 存储在芯片中的小程序，控制特定硬件组件。
- 机械硬盘 (HDD) – 使用旋转的磁盘和读写磁头；速度较慢但历史上成本低廉。
- 固态硬盘 (SSD) – 通过电子方式存储数据，无移动部件；速度更快且更可靠。
有趣的语言注释: 在西班牙语中，存储常被称为 “disco”，即使没有任何旋转的部件。英语中我们使用 drive 以避免这种混淆。
文件系统 — 存储的图书管理员
磁盘如果没有结构将是一片混乱。文件系统提供了这种结构，它将原始数据组织成文件和目录，并跟踪所有内容所在的位置。
常见文件系统
| 文件系统 | 典型用途 | 关键特性 |
|---|---|---|
| FAT32 | USB 驱动器 | 简单、兼容性强；最大文件大小 4 GB；无安全性 |
| NTFS | Windows PC | 权限、加密、大文件支持 |
| EXT3 / EXT4 | Linux | 强大的权限模型、可靠性 |
| APFS | macOS、iOS、iPadOS | 现代设计、快照、加密 |
每个文件系统都维护一个 索引，将文件名映射到磁盘上的物理位置。
删除文件时真正发生的事
删除文件 并不会 立即擦除其数据：
- 文件的条目从文件系统索引中移除。
- 实际数据仍然保留在磁盘上，直到被覆盖。
后果
- 已删除的文件有时可以恢复。
- 安全删除工具会显式覆盖数据。
- 机械硬盘会出现碎片化。
碎片化 vs. SSD
- HDD 因机械运动而受到碎片化影响。
- SSD 则不在乎——访问时间几乎在任何位置都保持恒定。
为什么内存速度如此重要
内存类型在访问时间上差异巨大：
| 内存类型 | 典型访问时间 |
|---|---|
| CPU寄存器 / 缓存 | 1–20 ns |
| RAM | ~70 ns |
| SSD | 100–500 µs |
| HDD | 更慢得多（机械延迟） |
当 RAM 用尽时，系统会使用 交换内存——把磁盘空间伪装成 RAM。它能工作，但 慢了几个数量级。
这一事实解释了：
- 为什么在内存压力下系统会显得迟缓
- 为什么 SSD 能显著提升交换性能
- 为什么 RAM 仍然不可替代
加密数据 — 带隐私的存储
现代操作系统可以加密存储，使得在没有适当凭证的情况下数据不可读。
加密：
- 防止设备被盗
- 保护个人和企业数据
- 现已在 Windows、macOS、Linux 和移动设备上成为标准
在幕后，加密使用与用户凭证或硬件安全模块绑定的加密密钥。
垃圾回收 — 运行时内存
在运行时，程序会不断分配内存。如果未使用的内存未被释放，RAM 会被占满。现代编程语言通过 垃圾回收 来解决此问题，它会自动回收不再可达的内存。
自动化
- 运行时跟踪未使用的对象
- 内存被自动回收
- 开发者避免手动内存管理错误
这是一项运行时关注点——而非存储——但对于理解 RAM 如何高效使用至关重要。
未来——当记忆与处理合并时
内存与计算之间的界限正在模糊。
像 memristors 这样的新兴技术将存储和处理合二为一。虽然仍处于实验阶段，但它们暗示了一个未来：
- CPU 与内存不再是分离的
- 数据移动成本降低
- 能源效率显著提升
我们已经在用于智能手机和现代笔记本电脑的 System on a Chip (SoC) 设计中看到早期的整合。
最终思考
你在电脑上所做的每件事——保存文件、运行代码、观看视频——都取决于 数据在内存层之间的移动方式。
一旦你了解了：
- 易失性内存 vs. 持久性内存
- 速度层次结构
- 文件系统
- 加密
- 运行时内存管理
你就不再把计算机视为黑箱——而是把它们视为 具有明确权衡的精心设计系统。
计算机内存中哪一部分让你最感到惊讶？
我们接下来应该探讨哪个主题？
让我们继续构建强大的心理模型。
✍️ 为想要理解计算机而非仅仅使用它们的开发者而写。