详解为什么32位系统只能用4G内存

作者: JamFF | 来源:发表于2021-03-07 09:26 被阅读0次

1. Bit（位）

Bit 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 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。

2. Byte（字节）

我们平常讲的 1个文件占多少 KB、MB，1个硬盘占多少 GB、TB，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 = 8 Bit，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：

Bit 和 Byte

上面说了，1个 Bit 只能表示两种值 0 or 1，其实就是 $2^1$ 种值。那么 1个 Byte 就是 $2^8 = 256$ 种值了。

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。
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 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。

内存有一个很重要的特性，CPU 可以直接访问内存里的数据。

CPU 不能直接访问硬盘的数据，只能先把硬盘的数据放到内存里，然后再从内存中访问数据。

所以内存才是计算机系统的主存储器，而硬盘则与光盘、U盘同为外部存储器。

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，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 就需要 8 个格子存放，也就是 1个字节 byte。

但是问题来了，我刚说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：

占用字节

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 64 MB内存就有 64 × 1024 × 1024 个字节！

如果 CPU 要查找 1个变量，还是要一个个字节去找到话，还是很浪费时间的，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。如果没有门牌号码，我们去访问某个住在大楼的人是十分困难的，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。

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，就可以直接去到对应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一个逆天的技术，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。

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。

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 （0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF)，总共有 $2^{32}$ 个地址。

那么 $2^{32}$ 到底是多少个？ $2^{32}= 4(G) \times 1024(M) \times 1024(K) \times 1024(B) = 4294967296(B)$ ，就是 4G，而每 1个地址对应 1个字节，容量就是 1 byte，所以 $2^{32}$ 个地址就总共能对应 4GB 的内存容量，这里的 B 指的是 byte 字节。

假如给 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，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，对应的，64 位系统的内存地址是 64 位的二进制数，那总共有多少个地址？

$2^{64} = 2^{24}(T) \times 2^{10}(G) \times 2^{10}(M) \times 2^{10}(K) \times 2^{10}(B) = 16777216(T)$ 个地址，也就是说 64 位系统配上 64 位 CPU 理论上支持 16777216TB 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 32GB 都不错了。

见下图：

内存地址

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 1 byte = 8 bit（位），所以 1个指针就需要 4 byte 的内存来存放该指针的内容（1个内存地址）。

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

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) 就返回了 8，共需要 8 个内存单位去存放 64 位系统的 1个指针。

作者：nvd11
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来源：CSDN
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