详解为什么32位系统只能用4G内存.

一时失言乱红尘 2022-03-19 13:21 161阅读 0赞

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:

![详解为什么32位系统只能用4G内存. - 饥民 - 饥民2011][32_4G_. - _ - _2011]  
  
           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1 **byte**(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：

![详解为什么32位系统只能用4G内存. - 饥民 - 饥民2011][32_4G_. - _ - _2011 1]

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 **Ox**0ff0f0f0 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][32_4G_. - _ - _2011 2]

![详解为什么32位系统只能用4G内存. - 饥民 - 饥民2011][32_4G_. - _ - _2011 3]

**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！

[32_4G_. - _ - _2011]: http://img5.ph.126.net/l4Cf_sPaki8F-kE5Du4UWA==/6597485382052175695.jpg
[32_4G_. - _ - _2011 1]: http://img0.ph.126.net/n9ce0j6TfUkFleEUeP04AQ==/6597861415029488373.png
[32_4G_. - _ - _2011 2]: http://img0.ph.126.net/-f963mMXVixrld4sgQfgfQ==/6597784449215336835.png
[32_4G_. - _ - _2011 3]: http://img0.ph.126.net/GYKNDmfUKrBRtVG9WbLKTQ==/6597154429053763269.png