问题

为什么1KB等于1024B?

回答
这个问题其实涉及到计算机科学最基础的计数方式,也就是二进制。我们日常生活中习惯使用十进制,但计算机内部,从最底层的晶体管开关到最复杂的算法,都是围绕着“开”和“关”这两个状态来运作的,这天然就对应着二进制的“1”和“0”。

为啥要用二进制?

想象一下,如果我们用十进制来表示数据,那么每个存储单元(比如一个触发器)需要能够表示0到9这十种状态。这会导致电路设计非常复杂,并且容易出错。而二进制只需要表示两种状态:0和1。用两个不同的电压级别就可以轻松实现,这样电路设计简单、稳定、可靠。

存储的基石:比特(bit)和字节(byte)

计算机最基本的信息单位是“比特”(bit),它只能表示0或1。但一个比特能表示的信息太少了,不足以表示一个字母、一个数字或者一个指令。

为了能够表示更多样的信息,人们将8个比特组合在一起,形成了一个新的单位,叫做“字节”(byte)。为啥是8个呢?这背后并没有一个绝对“科学”到无与伦比的理由,但8个比特组合在一起,可以表示2的8次方(2^8)种不同的组合,也就是256种。

256种组合足够用来表示:

英文字母: 大写和小写字母,再加上数字09,以及一些标点符号,这些都够用了。
ASCII码: 最初的字符编码标准ASCII(American Standard Code for Information Interchange)就是用一个字节来表示一个字符。
简单的指令: 处理器的一些基本指令也可以用字节来编码。

所以,1字节(byte) = 8比特(bit)。这是计算机数据表示的一个基础约定。

为什么会是1024?二进制的“方便”

好了,我们知道了一个字节是8个比特。那现在来看KB(千字节)了。

在十进制里,我们知道“千”是1000,也就是说1公里是1000米,1千克是1000克。这很容易理解,是我们日常使用的计数系统。

但是,在计算机世界里,很多时候我们处理的是“2的幂次方”。因为二进制的运算和存储都是基于2的倍数的。

2^1 = 2
2^2 = 4
2^3 = 8 (这就是一个字节的比特数)
2^4 = 16
2^5 = 32
2^6 = 64
2^7 = 128
2^8 = 256 (一个字节能表示的组合数)
2^9 = 512
2^10 = 1024

你会发现,2的10次方(1024)是一个非常接近1000的数字。而且,它又是一个“好算”的数字,因为在二进制里,1024就表示为“1”后面跟着10个“0”(10000000000)。

为了方便计算机科学家和工程师在描述存储容量、内存大小等概念时,能够方便地使用更易于管理的数字单位,就引入了以“2的幂次方”为基础的前缀。

所以,就约定俗成地:

1 KB (Kilobyte) = 1024 B (Bytes)

这里的“K”虽然在十进制里代表1000,但在计算机的二进制语境下,它被赋予了1024的含义,以方便与2的幂次方运算关联。

类比理解

你可以这样理解:

如果我们在十进制里数数,数到10就进一位,就像我们过马路,每走10步就表示我们向前进了10米。

但在二进制世界里,就像他们过马路,每走“2”步(对应着0和1的切换)就进一位。那么,走到“1024”这一步(这是二进制的10000000000),正好是“10”个“2”的乘积(2^10)。这在计算机内部的运算和存储组织上,显得更为自然和高效。

更进一步:MB、GB……

这个逻辑一直延续下去:

1 MB (Megabyte) = 1024 KB = 1024 1024 B
1 GB (Gigabyte) = 1024 MB = 1024 1024 1024 B
1 TB (Terabyte) = 1024 GB

一点小“混淆”:SI单位和IEC单位

需要注意的是,这种以1024为进位的单位,在科学上更准确的说法是“Kibibyte” (KiB),而不是“Kilobyte” (KB)。

KB (Kilobyte) 在国际单位制 (SI) 中,Kilo 前缀就代表 1000。
KiB (Kibibyte) 是国际电工委员会 (IEC) 提出的,专门用来表示 1024 倍的单位。

所以,严格来说,我们通常说的1KB等于1024B,是在计算机领域一种约定俗成的用法,借用了SI前缀,但赋予了IEC含义。

在硬盘厂商、内存条制造商等很多地方,为了让他们的产品看起来容量更大(或者方便计算),也可能会混用这两种单位。例如,硬盘标注的1TB,可能实际容量会比我们习惯算的1024GB1024MB1024KB1024B略少一点,因为他们可能按照1TB = 1000 GB = 1000^4 字节来计算。

但对于我们日常使用和理解计算机的存储和内存时,1KB = 1024B 是最普遍、最容易理解的说法。这背后的核心原因,就是计算机体系结构对二进制运算的天然偏好,以及1024这个数字作为2的10次方,在表示大量数据时提供了一个方便的“整数倍”的跳转。

网友意见

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溯源:

为了回答这个问题,我们需要先追溯到人们最常用的十进制计数上。计算机科学是对“2”特别敏感的一个学科。而人们自然运算时是对“10”敏感的,人们一般使用十进制作进行自然运算,因此对“10”的倍数特别进行了定义。比如10的2次方是百,10的3次方是千,10的4次方是万……“个十百千万”是连幼儿园小朋友都知道的东西。人们由此定义了:

       100                     hundred 1,000                   thousand 1,000,000               million 1,000,000,000           billion 1,000,000,000,000       trillion 1,000,000,000,000,000   quadrillion ... ...     

我们暂时忽略“个十百”,可以看到“千”是一个特别的存在,以“千”为基础(千的乘方)定义了后面的单位(都是3个零一定义)。

于是数学上为了方便,给这些单位定义了前缀符号,叫 Metric prefix(或 SI prefixes),如(符号"^"表示乘方):

       10^1 = 1deca  = 1da 10^2 = 1hecto = 1h 10^3 = 1kilo  = 1k     

其中kilo就表示1000这个量级,简写为k。从这个量级开始,后面的定义都以“千”为基数继续定义出了后面的单位:

       10^3  = 1000^1 = 1kilo = 1k 10^6  = 1000^2 = 1mega = 1M 10^9  = 1000^3 = 1giga = 1G 10^12 = 1000^4 = 1tera = 1T 10^15 = 1000^5 = 1peta = 1P ... ...     

这些是人们基于常用的10进制做的定义。

二进制:

说完十进制的一些事情后,我们再来看二进制。因为电子计算机普遍采用二进制,所以人们像对待10进制那样对待2进制的单位。为什么将1024这个定义为二进制的“千”,因为它是2的乘方倍数中最接近十进制常用的“1000”的存在。人们将10^3定义为千,而2^9=512,2^11=2048,只有2^10最接近1000,而且正好阶乘还是人们喜闻乐见的“10”。所以2^10=1024就被视为二进制中的“千”。

但是毕竟1024和1000是不一样的,由2的乘方所定义出的数字也和10的乘方不一样,比如:

       2^10 = 1024 2^20 = 1048576 2^30 = 1073741824     

所以不能将上面提到的kilo, mega, giga直接用于此处,因为这些是基于十进制定义出来的。所以人们“模仿”十进制时用到的定义,又做了用于二进制的定义,叫 Binary prefix

       2^10 = 1024^1 = 1kibi = 1Ki 2^20 = 1024^2 = 1mebi = 1Mi 2^30 = 1024^3 = 1gibi = 1Gi 2^40 = 1024^4 = 1tebi = 1Ti 2^50 = 1024^5 = 1Pebi = 1Pi ... ...     

可以看到用于二进制的单位的结尾都带一个“i”,所以严格来说,当你说"1KB"的时候,实际是"1000 Bytes"的意思,而如果要表达"1024 Bytes",应该写作"1KiB"。因为"1K"严格来说是"1000"的意思,而"1Ki"才是"1024"。

举个例子,比如我买了一个U盘(我确实买了一个),厂商标的是128GB,所以如果严格来说,我应该期望看到拥有:

       128*1,000,000,000 Bytes = 128,000,000,000 Bytes     

这么大的一个U盘。但是我实际看到的是:

       # fdisk -l /dev/sda Disk /dev/sda: 114.56 GiB, 123010547712 bytes, 240254976 sectors Disk model: Ultra Luxe       Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes Disklabel type: dos Disk identifier: 0xab01f680  Device     Boot Start       End   Sectors   Size Id Type /dev/sda1           1 240254975 240254975 114.6G  7 HPFS/NTFS/exFAT     

也就是说实际上厂商只给了我240254976个sectors(每个sector是512字节大小),也就是给了我123,010,547,712 Bytes大小的空间。这根本就只有大概123GB,或者说大概114.6 GiB。

*混淆

最后我们说一下现实中常见的混淆使用。虽然我们上面说从某些标准的严格定义来说,K和Ki,M和Mi,G和Gi等是不同的概念,代表的大小也不同。但是在人们实际的使用中,常常是混淆使用的。

就比如我上面U盘的那个例子,fdisk的输出信息中第一行使用的是114.56 GiB,但是最后一行就将Gi写作了"G"。

所以现实中当你看到k/K, m/M, g/G等单位时,一定要根据上下文来判断它代表的到底是十进制的还是二进制的情况。从我个人实际的各种使用经历来看,程序员们对这些单位的使用并不那么“严格”。这一点在一般情况下(不是严格的发表论文的场景),也没必要特别计较。

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