大家好，我是小風哥。我們在之前很多文章的講解中涉及了CPU與暫存器，然後有同學問了這樣一個問題：既然CPU內部的暫存器數量有限，容量有限，那麼我們使用的龐大的資料結構是怎樣裝入暫存器供CPU計算的呢？這篇文章就為你講解一下這個問題。

記憶體與資料

真正有用的程式是離不開資料的，比如一個int、一個float等，這些都是非常簡單的資料。當然也有非常複雜的資料，這樣的資料通常在記憶體中以資料結構的形式組織起來，比如你建立了一個數組、一個連結串列、建立了一棵樹、一張圖，就像這樣：那麼很顯然這些資料存放在記憶體中，而且這些資料在不同的場景下有不同的大小，從數B、數KB到數百GB都有可能，與此同時，CPU內部的暫存器數量是固定的，容量也是極其有限的，那麼CPU是如何利用有限的資源操作龐大的資料結構呢？要回答這一問題，我們需要要認識一位農夫，因為他不生產資料，他只是資料的搬運工

搬運資料的機器指令

你沒有看錯，這位農夫就是我們之前多次提到的機器指令。機器指令中除了負責邏輯運算、執行流控制、函式呼叫等指令外，還有一類指令，這類執行只負責和記憶體打交道，典型的就是精簡指令集架構中的Load/Store機器指令，即記憶體讀寫指令(複雜指令集沒有單獨的記憶體讀寫指令)。原來，從巨集觀上看的話，存放在記憶體中的資料，比如一個數組，可能會非常龐大，但是具體到程式碼，每一個步驟操作的資料又會非常簡單，就像這樣：

int*huge_arr=newint[1*1024*1024*1024];

我們建立了一個長度為1G的陣列，每個int 4位元組，則這個陣列的大小就是4GB，這顯然是一個很龐大的陣列。對於這樣的資料，我們通常都會怎麼使用呢？最常見的情況可能是遍歷一邊，然後對每個字元進行一個簡單操作，這裡以計算陣列之和為例：

long int sum = 0;for (int i = 0; i < 1 * 1024* 1024 *1024; i++) {    sum += huge_arr[i];}

雖然整個陣列多達4GB，但具體到每一步我們一次只能操作一個元素，就像這裡的：

sum += huge_arr[i];

這行程式碼翻譯成機器指令可能是這樣的，我們假設此時i為100：

load $r0 100($r2)add $r1 $r1 $r0

(注意，實際當中編譯器不會傻傻的生成100這樣的常數，這裡程式碼僅用來方便講解問題)。
第一行指令中陣列首地址存放在暫存器r2中，100($r2)表示陣列首地址+100，這樣我們就能得到huge_arr[100]的地址了，然後將該地址中的值利用load指令載入到暫存器r0中。

編譯器

現在你應該知道了為什麼CPU內部那麼少的暫存器能操作記憶體中龐大的資料結構，實際上由於記憶體中的資料要遠大於CPU暫存器的容量，因此編譯器必須精心挑選，好讓那些經常使用的資料放到暫存器中的時間更長一點，這樣可以減少記憶體讀寫次數。在上面的示例中，r2暫存器儲存的是huge_arr這個陣列在記憶體中的起始地址，那麼這個資料應該放到暫存器中，因為後續遍歷到的每一個元素都要用到該地址，這項工作就是編譯器來完成的。編譯器把那些經常使用的資料放到暫存器，剩下的放到記憶體中，然後利用記憶體讀寫指令在暫存器和記憶體之間來回搬運資料。

總結

通過本文不難發現，實際上我們沒有必要一次性把整個資料全部裝到CPU暫存器中，而是用到哪些才裝載哪些。在最細粒度的操作中，依賴的運算元都可以直接載入到記憶體，這通常是由記憶體讀寫機器指令來完成的。我是小風哥，希望這篇文章對大家理解CPU與暫存器有所幫助。