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虛擬地址空間以及編譯模式

< 上一頁(yè)虛擬內(nèi)存到底是什么？為什么我們?cè)贑語(yǔ)言中看到的地址是假的？ C語(yǔ)言?xún)?nèi)存對(duì)齊，提高尋址效率下一頁(yè) > 所謂虛擬地址空間，就是程序可以使用的虛擬地址的有效范圍。虛擬地址和物理地址的映射關(guān)系由操作系統(tǒng)決定，相應(yīng)地，虛擬地址空間的大小也由操作系統(tǒng)決定，但還會(huì)受到編譯模式的影響。

這節(jié)我們先講解CPU，再講解編譯模式，讓大家了解編譯器是如何配合CPU來(lái)提高程序運(yùn)行速度的。

CPU的數(shù)據(jù)處理能力

CPU是計(jì)算機(jī)的核心，決定了計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和尋址能力，也即決定了計(jì)算機(jī)的性能。CPU一次（一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)）能處理的數(shù)據(jù)的大小由寄存器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度（也即有多少根數(shù)據(jù)總線(xiàn)）決定，我們通常所說(shuō)的多少位的CPU，除了可以理解為寄存器的位數(shù)，也可以理解數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度，通常情況下它們是相等的。 數(shù)據(jù)總線(xiàn)位于主板之上，不在CPU中，也不由CPU決定，嚴(yán)格來(lái)講，這里應(yīng)該說(shuō)CPU能夠支持的數(shù)據(jù)總線(xiàn)的最大根數(shù)，也即能夠支持的最大數(shù)據(jù)處理能力，為了表達(dá)方便，本文才使用“CPU的數(shù)據(jù)總線(xiàn)”這一說(shuō)法。 數(shù)據(jù)總線(xiàn)和主頻都是CPU的重要指標(biāo)：數(shù)據(jù)總線(xiàn)決定了CPU單次的數(shù)據(jù)處理能力，主頻決定了CPU單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)處理次數(shù)，它們的乘積就是CPU單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)處理量。

我們常常聽(tīng)說(shuō)，CPU主頻在計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程中飛速提升，從最初的幾十 KHz，到后來(lái)的幾百 MHz，再到現(xiàn)在的 4GHz，終于因?yàn)楣杈w的物理特性很難再提升，只能向多核方向發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中，CPU的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度也在成倍增長(zhǎng)，從早期的8位、16位，到后來(lái)的32位，現(xiàn)在我們計(jì)算機(jī)大部分都在使用64位CPU。

需要注意的是，數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)不是一回事，數(shù)據(jù)總線(xiàn)用于在CPU和內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)，地址總線(xiàn)用于在內(nèi)存上定位數(shù)據(jù)，它們之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，寬度并不一定相等。實(shí)際情況是，地址總線(xiàn)的寬度往往隨著數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度而增長(zhǎng)，以訪(fǎng)問(wèn)更大的內(nèi)存。

1) 16位CPU

早期的CPU是16位的，一次能處理 16Bit（2個(gè)字節(jié)）的數(shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)還處在早期，個(gè)人電腦也沒(méi)有進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，也沒(méi)有提出虛擬地址的概念，程序還是直接運(yùn)行在物理內(nèi)存上，操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理非常簡(jiǎn)陋，程序員輕易就能編寫(xiě)一個(gè)惡意程序去修改其他程序的內(nèi)存。

學(xué)過(guò)匯編的同學(xué)應(yīng)該知道，典型的16位處理器是 Intel 8086，它的數(shù)據(jù)總線(xiàn)有16根，地址總線(xiàn)有20根，尋址能力為 2^20 = 1MB。

2) 32位CPU

隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，出現(xiàn)了32位的CPU，一次能處理 32Bit（4個(gè)字節(jié)）的數(shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候就提出了虛擬地址的概念，并被應(yīng)用到CPU和操作系統(tǒng)中，由它們共同完成虛擬地址和物理地址的映射，這使得程序編寫(xiě)更加容易，運(yùn)行更加安全。

典型的32位處理器是?Intel 的 80386 和 Intel Pentium 4（奔騰4）：80386 的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)寬度都是32位，尋址能力達(dá)4GB；Pentium 4的地址總線(xiàn)寬度是36位，理論尋址能力達(dá)64GB。

3) 64位CPU

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都使用64位的CPU，它們一次能處理64Bit（8個(gè)字節(jié)）的數(shù)據(jù)。典型的64位處理器是 Intel 的 Core i3、i5、i7 等，它們的地址總線(xiàn)寬度為 40~50 位左右。64位CPU的出現(xiàn)使個(gè)人電腦再次發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

實(shí)際支持的物理內(nèi)存

CPU支持的物理內(nèi)存只是理論上的數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)受到操作系統(tǒng)的限制，例如，Win7 ?64位家庭版最大僅支持8GB或16GB的物理內(nèi)存，Win7 64位專(zhuān)業(yè)版或企業(yè)版能夠支持到192GB的物理內(nèi)存。

Windows Server 2003 數(shù)據(jù)中心版專(zhuān)為大型企業(yè)或國(guó)家機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)，可以處理海量數(shù)據(jù)，分為32位版和64位版，32位版最高支持512GB的物理內(nèi)存，這顯然超出了32位CPU的尋址能力，可以通過(guò)兩次尋址來(lái)實(shí)現(xiàn)。

編譯模式

為了兼容不同的平臺(tái)，現(xiàn)代編譯器大都提供兩種編譯模式：32位模式和64位模式。

32位編譯模式

在32位模式下，一個(gè)指針或地址占用4個(gè)字節(jié)的內(nèi)存，共有32位，理論上能夠訪(fǎng)問(wèn)的虛擬內(nèi)存空間大小為 2^32 =?0X100000000 Bytes，即4GB，有效虛擬地址范圍是 0 ~ 0XFFFFFFFF。?

也就是說(shuō)，對(duì)于32位的編譯模式，不管實(shí)際物理內(nèi)存有多大，程序能夠訪(fǎng)問(wèn)的有效虛擬地址空間的范圍就是0 ~ 0XFFFFFFFF，也即虛擬地址空間的大小是 4GB。換句話(huà)說(shuō)，程序能夠使用的最大內(nèi)存為 4GB，跟物理內(nèi)存沒(méi)有關(guān)系。

如果程序需要的內(nèi)存大于物理內(nèi)存，或者內(nèi)存中剩余的空間不足以容納當(dāng)前程序，那么操作系統(tǒng)會(huì)將內(nèi)存中暫時(shí)用不到的一部分?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入到磁盤(pán)，等需要的時(shí)候再讀取回來(lái)，這在《載入內(nèi)存，讓程序運(yùn)行起來(lái)》中已經(jīng)講到。而我們的程序只管使用 4GB 的內(nèi)存，不用關(guān)心硬件資源夠不夠。

如果物理內(nèi)存大于 4GB，例如目前很多PC機(jī)都配備了8GB的內(nèi)存，那么程序也無(wú)能為力，它只能夠使用其中的 4GB。

64位編譯模式

在64位編譯模式下，一個(gè)指針或地址占用8個(gè)字節(jié)的內(nèi)存，共有64位，理論上能夠訪(fǎng)問(wèn)的虛擬內(nèi)存空間大小為 2^64。這是一個(gè)很大的值，幾乎是無(wú)限的，就目前的技術(shù)來(lái)講，不但物理內(nèi)存不可能達(dá)到這么大，CPU的尋址能力也沒(méi)有這么大，實(shí)現(xiàn)64位長(zhǎng)的虛擬地址只會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和地址轉(zhuǎn)換的成本，帶不來(lái)任何好處，所以 Windows 和 Linux 都對(duì)虛擬地址進(jìn)行了限制，僅使用虛擬地址的低48位（6個(gè)字節(jié)），總的虛擬地址空間大小為 2^48 = 256TB。

需要注意的是：

• 32位的操作系統(tǒng)只能運(yùn)行32位的程序（也即以32位模式編譯的程序），64位操作系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行32位的程序（為了向前兼容，保留已有的大量的32位應(yīng)用程序）和64位的程序（也即以64位模式編譯的程序）。
• 64位的CPU運(yùn)行64位的程序才能發(fā)揮它的最大性能，運(yùn)行32位的程序會(huì)白白浪費(fèi)一部分資源。

目前計(jì)算機(jī)可以說(shuō)已經(jīng)進(jìn)入了64位的時(shí)代，之所以還要提供32位編譯模式，是為了兼容一些老的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)，或者某些場(chǎng)合下32位的環(huán)境已經(jīng)足夠，使用64位環(huán)境會(huì)增大成本，例如嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)、工控等。 這里所說(shuō)的32位環(huán)境是指：32位的CPU + 32位的操作系統(tǒng) + 32位的程序。 另外需要說(shuō)明的是，32位環(huán)境擁有非常經(jīng)典的設(shè)計(jì)，易于理解，適合教學(xué)，現(xiàn)有的很多資料都是以32位環(huán)境為基礎(chǔ)進(jìn)行講解的。本教程也是如此，除非特別指明，否則都是針對(duì)32位環(huán)境。相比于32位環(huán)境，64位環(huán)境的設(shè)計(jì)思路并沒(méi)有發(fā)生質(zhì)的變化，理解了32環(huán)境很容易向64位環(huán)境遷移。

開(kāi)啟64位編譯模式

以 VS2010 為例，創(chuàng)建工程后默認(rèn)是32位的，如下圖所示：
“Win32”表示32位編譯模式。如果要以64位的方式編譯，就需要新增編譯模式，如下圖所示：
選擇“配置管理器”，彈出如下的對(duì)話(huà)框：
在“活動(dòng)解決方案平臺(tái)”下選擇“新建”，彈出下面的對(duì)話(huà)框：
在下拉菜單中選擇“x64”，即可新增64位編譯模式。現(xiàn)在，我們就可以在兩種編譯模式之間進(jìn)行切換了：
將下面的代碼復(fù)制到源文件中： 復(fù)制純文本復(fù)制

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int a;

int main(){

int *p = &a;

printf("%#X, %d\n", p, sizeof(int*));

?

system("pause");

return 0;

}

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int a; int main(){int *p = &a;printf("%#X, %d\n", p, sizeof(int*)); system("pause"); return 0;

}
在 Win32 編譯模式下的結(jié)果：

0XB715C, 4



在 x64 編譯模式下的結(jié)果：

0X3FF39740, 8

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的虚拟地址空间以及编译模式的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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