变量大小的重要性

变量大小的重要性

计算机中的数据是二进制序列

• 所有信息都以位（bit）形式存在，0或1组成序列
• 位数决定能表示的数值范围：位数越多，能表示的值越多

举例：2位二进制能表示4个值

二进制	十进制
00	0
01	1
10	2
11	3

• 每增加一位，表示范围翻倍（指数增长）

2位 → 4个值          8位 → 256个值         16位 → 65536个值
[00] [01] [10] [11]  [00000000 ~ 11111111]   [0000000000000000 ~ 1111111111111111]

计算机按字节操作，最小单位是8位（1字节）

• 因此常见的整数类型有8、16、32、64位
• 非常规位数（如3位、47位）不会直接支持

变量大小直接影响内存占用

例子：年龄通常范围0-120，用8字节（64位整数）存储明显浪费

• 实际只需1字节（8位无符号整数）即可表示0~255范围
• 对大量变量来说，浪费空间非常明显

动态语言如何存储变量？

• 变量不仅存数据，还要存类型信息（tag）
• 这使得变量更灵活但额外占用内存
• 运行时需要多次读写类型tag，增加CPU开销

示意图：动态变量结构

+----------------------+
| 数据值 | 类型标签(tag) |
+----------------------+

静态类型语言如何提升性能？

• 编译器在编译时就知道变量的类型和大小
• 生成的机器码直接操作固定大小内存，无需运行时检查
• CPU无需处理额外的类型信息，提高执行效率

汇编代码示例

LOAD R1, [addr_x]   ; 读取32位整数x
LOAD R2, [addr_y]   ; 读取32位整数y
ADD R3, R1, R2      ; 执行加法
STORE [addr_z], R3  ; 存储结果

静态数组 vs 动态数组

类型	说明	内存位置	大小	举例
静态数组	编译时大小固定	栈（stack）	固定	int arr[3] = {1, 2, 3};
动态数组	运行时大小可变，需申请内存	堆（heap）	动态	int* arr = malloc(n * sizeof(int));

• 动态数组存放在堆上，需要额外的内存管理和开销

+----------------+      +------------------------+
| 栈空间          |      | 堆空间                  |
| int arr[3]     | ---> | malloc申请的动态内存区    |
+----------------+      +------------------------+

内存碎片化与效率

• 操作系统给程序分配内存是按块（chunk）分配，不一定精确到变量大小
• 堆内存分配、释放时容易产生“碎片”，降低性能
• 栈内存由于顺序入栈出栈，内存紧凑，效率高

总结

• 明确变量大小有助于节省内存
• 静态类型语言利用固定大小生成高效代码
• 避免不必要的内存浪费和运行时开销
• 充分利用缓存和CPU特性，提高程序性能