存储地址的计算

在计算机科学中，存储地址计算是指将一个变量在计算机存储器中的位置转换为一个地址。这是计算机内存管理的基础，准确的计算存储地址是完成程序运行的关键因素。本文从多个角度分析存储地址计算的相关内容。

1. 存储器结构

计算机存储器通常分为主存和辅助存储器。主存由多个存储单元组成，每个存储单元的地址都唯一。以64位的计算机为例，主存有$2^{64}$个存储单元，每个存储单元的大小通常是8个字节。辅助存储器的存储单位是簇或扇区，是一种非易失性存储器。

2. 存储器映射

计算机将主存中的存储单元映射到辅助存储器上，以实现存储单元的持久存储。常用的映射方式是虚拟存储器，即将主存划分为多个页面(page)，每个页面大小为几个KB或几十KB，每个页面分别映射到硬盘上的某个簇或扇区，称为页面映射。当程序运行时，操作系统会将需要的页面从硬盘读入主存，当页面不再使用时，再将其写回到硬盘上，这种方式称为页面置换。

3. 变量的存储

在程序中，变量的存储通常有3种方式：栈(stack)、堆(heap)和全局区(global/data)。栈内存和堆内存都属于主存，区别在于栈内存用于存储函数调用时的局部变量，堆内存用于存储动态分配的内存。全局区则是存储全局变量和静态变量的地方，它保存在主存的全局数据段(data segment)中。

4. 地址的计算

在程序中，变量的存储地址通常由编译器在编译时决定。对于全局变量和静态变量，编译器会在程序的数据段中分配一块内存，然后根据变量名和数据段的起始地址计算出变量的地址。对于栈内存和堆内存中的变量，编译器会在运行时将它们存储在主存的栈或堆中，然后根据偏移量(offset)计算出变量的地址。

5. 溢出和指针

在计算存储地址时，常见的问题是地址溢出和指针类型的问题。地址溢出指的是地址计算结果超出了存储器单元的地址范围，这会导致程序崩溃或运行结果异常。指针类型问题主要涉及到指针的大小和指针的类型转换，例如将一个4字节的int类型指针转换成8字节的long类型指针。