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饥民2011

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详解为什么32位系统只能用4G内存.  

2013-02-24 23:00:20|  分类: Data structure |  标签: |举报 |字号 订阅

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        既然是详解, 就从最基础的讲起了.

       1. Bit(位)
              Bit计算机是计算机最小的存储单位,  大家都知道计算机实质上都是用二进制数0或者1来存储数据的,  所以Bit实际上可以看成存放1个二进制数字的1个位置.
             也就是说bit只有2种值, 0 或者 1, 所以1个bit能存放1个布尔类型的值(boolean,是或者否).
             如果一个布尔类型被存放在1个bit中, 自然这个变量就占用1个bit了, 无论这个值是1或者0, 它都占用1个bit...

       2. Byte(字节)
             这个就厉害了, 因为我们平常讲的1个文件占多少KB, MB...  1个硬盘占多少GB..  等后面的这个B, 指的就是字节Byte, 而不是上面的Bit,  而且1个Byte = 8Bit,  这个怎么理解呢?

             其实1个Byte 可以看成是有8个物理上连续的Bit组成的, 如下图:
            
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           上面说了, 1个Bit 只能表示两种值0 or 1, 其实就是2^1(2的1次方)种值啦.
           那么1个Byte能表示多少种值呢, 很简单就是2^8 = 256种啦
           逻辑上就是因为1个Byte 是由8个bit组成的, 每1个bit可以有两种值(0 or 1), 那么8个bit根据概率组合论就有2^8 = 256种了.
           它们分别是:
    二进制:    0000 0000        0000 0001       0000 0010      0000 0011   ...          0000 1111     0001 0000  ...   1111 1111
    十进制:                 0                     1                    2                   3   ...                     15                16   ...          255
十六进制:          0      0                     1                    2                   3   ...                0    F           1      0   ...      F      F

           可以看出如下几点:
           a. 这256个值分别是0~255 所以1个字节能表示最大的值就是255, 所以很多时候我们见到有255最大的限制(例如ip地址)就是这个原因啊。
           b. 二进制1个字节是由8个位组成的, 而每4个位可以看成1组, 由1个十六进制数字来表示。 也就是说十六进制的0-F分别表示二进制的0000 - 1111, 所以用16进制和2进制的转化其实是很方便的。

     3. 内存是计算机系统的主存储器
            介绍上面两个存储单位后就介绍下内存了。
            内存作为1个存储数据的存在, 有1个很重要的特性, 就是内存里的数据能被cpu直接访问。
            cpu能不能直接访问硬盘的数据呢, 不能。 只能通过把硬盘的数据先放到内存里, 然后再从内存里访问硬盘的数据。我们平时玩游戏碰上读图loading 进度条的这个过程, 就是把数据从硬盘读到内存的过程啊。  读完条后地图的数据就在内存中了。
            所以内存才是计算机系统的主存储器, 而硬盘是被分到跟光盘..u盘一类都是外部存储器。

           
      4. 内存的基本结构
        
内存里存放的数据是什么呢? 其实也是只是存放0或者1这两个二进制数字啊, 所以内存里实际上有海量的小格子,每1个格子是1个bit,就只能存放1个数字(0或者1), 那么数值255需要几个格子来放呢? 就是8个格子啊, 1个字节byte啊。

           但是问题来了, 我刚说了内存里的格子数量非常巨大, 如果cpu要读出某个指定的数据, 怎么去找呢?
           1个1个格子去遍历吗, 其实稍微接触过数据结构的都知道, 遍历虽然实现简单, 但是在海量数据面前简直是自杀行为。

           所以实际上内存是把8个8个bit排成1组, 每1组成为1个单位, 大小是1byte(字节), cpu每一次只能访问1个byte, 而不能单独去访问具体的1个小格子(bit). 1个byte字节就是内存的最小的IO单位.

           也就是说内存是由8个 8个小格(bit)组成的1个字节单位(byte)排列组成的。 如下图:

         
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         其实大部分数据都会作为各种数据类型存放在内存内, 而各种数据类型所占的字节大小也是不同的,例如上图解析的,char字符类型占1个字节, int类型和unsigned int类型占4个字节byte.

             5. 引入内存地址概念。
          
即使我们把内存分成了以字节为单位的结构, 但是实际上内存里还是有非常多的字节的,例如64MB内存就有 64 × 1024 × 1024 个字节啊!
           
              如果cpu要查找1个变量, 还是要1个个字节去找到话...还是1个很浪费时间的行为,所以为了避免去遍历内存,计算机系统就引入了内存地址这个概念。

             举个例子, 内存就是一栋大楼,  而内存里每1个字节就是大楼的每个房间, 而内存地址就是房间的门牌号码了. 如果没有门牌号码,我们去访问某个住在大楼的人是十分苦难的, 只能从1楼开始每个房间去敲门.. 如果那个人住在顶楼你就悲剧了. 而如果你知道那个人的门牌号码, 就可以直接上去敲他的门查他水表了, 实在是方便很多啊.

             内存也一样, 计算机操作系统会给内存每1个字节分配1个内存地址, cpu只需要知道某个数据类型的地址, 就可以直接去到读影的内存位置去提取数据了.
        
           
             6. 直接寻址技术.
         
当代计算机还实现了1个逆天的技术,就是直接寻址了. 
             什么意思呢, 还是用上面的例子说明,   假如你知道你要找的人住在那栋大楼的17楼 1702, 但是你还是需要从1楼走到17楼去找他, 这个过程还是需要时间成本的.

             但是如果你具有了直接寻址技术,  就能直接跳到17楼 1702门前,  如果你找的下1个人在2楼, 又能从17楼直接跳到2楼, 逆天啊.
             而直接寻址技术已经成为当代计算机软硬件的标准技术之一了, 也就是说只要cpu知道要访问数据的内存地址, 就能直接到内存的对应位置去访问数据!

            7. 内存地址的表示方式
         
跟门牌号一样, 其实内存地址也是由1个2进制数字来表示的.    每1个地址对应内存里的1个byte字节, 如果地址的值加1, 那么这个地址就对应下1个字节了. 

            那么内存地址的长度是多少呢?  这个就是这篇文章标题所涉及的.  在32位操作系统中, 内存的地址就是32位的2进制数,  那么假如32位系统的某个内存地址是:
                                                         0000 1111 1111 0000 1111 0000 1111 0000
那么它可以用十六进制表示成:               0     F      F      0     F       0     F      0  
              也就是 Ox0ff0f0f0 前面Ox代表十六进制,  所以你见到这种字母数字混合一次的地址方式,就是这样得来的了, 它实际上是1个二进制的数字啊. 不过计算机里面所有的东西都是二进制了..

           

              8. 内存地址的数量决定cpu能访问的内存大小.
         
上面说了, 既然32位系统里内存地址长度是32位的.  所以32位的地址范围就是从 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 到 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 啦(Ox00000000 ~ OxFFFFFFFF), 这里有几个地址呢? 明显是有 2^32 个啦.
 
             那么2^32到底是多少个? 2^32 = 4 * 1024(G) * 1024(M) * 1024(K) = 4294967296 , 就是4G 啊, 而每1个地址对应1个1个字节, 容量就是1byte, 所以2^32个地址就总共能对应应4GB 的内存容量啊, 这里的B指的是byte 字节啊。

            假如你给32位的系统配上了8GB的内存, 操作系统最多也只能给其中4GB 分配地址, 其余 4GB 是没有地址, 因为地址不够用啊, 所以32位系统最多支持4GB内存就是这样来的。


            那么64位系统呢, 对应地, 64位系统的内存地址是64位的二进制数啊,  0000 ...64个0 ~ 1111 ...64个1, 用十六进表示就是从Ox0000000000000000 ~ OxFFFFFFFFFFFFFFFF ,  每个地址的长度比32位的长度多1倍!   而64位系统总共有多少个地址?

           2^64 =
2^34 *   2^10(G) * 2^10(M) * 2^10(K)    也就是
17179869184 G(4G × 4G)个地址, 我艹这是神码概念, 也就是说64位系统配上64位cpu理论上支持17多亿GB的内存, 当然这个只是理论了, 实际上现在的普通主版能上个16GB都不错了。

           见下图:
         

详解为什么32位系统只能用4G内存. - 饥民 - 饥民2011

详解为什么32位系统只能用4G内存. - 饥民 - 饥民2011
 
 


      9. 关于指针。
   
大家都知道指针是用来存放内存地址的, 那么对于32位系统来讲, 内存地址是1个32位长度的2进制数, 而每1个内存单位长度只有1byte = 8bit(位),   所以1个指针 就需要4byte的内存来存放该指针的内容(1个内存地址)啦。

       所以 我们定义1个指针 int *p;   然后求sizeof(p) 是返回4的, 4字节嘛~

        而对于64位系统来讲, 内存地址是64位的2进制数,  所以sizof(p)就返回8了, 共需要8个内存单位去存放 64位系统的1个指针啊!
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