虛擬位址空間以及編譯模式

所謂虛擬位址空間，就是程式可以使用的虛擬位址的有效範圍。

虛擬位址和實體地址的對映關係由作業系統決定，相應地，虛擬位址空間的大小也由作業系統決定，但還會受到編譯模式的影響。

這節我們先講解cpu，再講解編譯模式，讓大家了解編譯器是如何配合cpu來提高程式執行速度的。

cpu是計算機的核心，決定了計算機的資料處理能力和定址能力，也即決定了計算機的效能。cpu一次（乙個時鐘內）能處理的資料的大小由暫存器的位數和資料匯流排的寬度（也即有多少根資料匯流排）決定，我們通常所說的多少位的cpu，除了可以理解為暫存器的位數，也可以理解資料匯流排的寬度，通常情況下它們是相等的。

資料匯流排位於主機板之上，不在cpu中，也不由cpu決定，嚴格來講，這裡應該說cpu能夠支援的資料匯流排的最大根數，也即能夠支援的最大資料處理能力，為了表達方便，本文才使用「cpu的資料匯流排」這一說法。

資料匯流排和主頻都是cpu的重要指標：資料匯流排決定了cpu單次的資料處理能力，主頻決定了cpu單位時間內的資料處理次數，它們的乘積就是cpu單位時間內的資料處理量。

我們常常聽說，cpu主頻在計算機的發展過程中飛速提公升，從最初的幾十 khz，到後來的幾百 mhz，再到現在的 4ghz，終於因為矽晶體的物理特性很難再提公升，只能向多核方向發展。在這個過程中，cpu的資料匯流排寬度也在成倍增長，從早期的8位、16位，到後來的32位，現在我們計算機大部分都在使用64位cpu。

需要注意的是，資料匯流排和位址匯流排不是一回事，資料匯流排用於在cpu和記憶體之間傳輸資料，位址匯流排用於在記憶體上定位資料，它們之間沒有必然的聯絡，寬度並不一定相等。實際情況是，位址匯流排的寬度往往隨著資料匯流排的寬度而增長，以訪問更大的記憶體。

1) 16位cpu

早期的cpu是16位的，一次能處理 16bit（2個位元組）的資料。這個時候計算機產業還處在早期，個人電腦也沒有進入千家萬戶，也沒有提出虛擬位址的概念，程式還是直接執行在物理記憶體上，作業系統對記憶體的管理非常簡陋，程式設計師輕易就能編寫乙個惡意程式去修改其他程式的記憶體。

學過彙編的同學應該知道，典型的16位處理器是 intel 8086，它的資料匯流排有16根，位址匯流排有20根，定址能力為 2^20 = 1mb。

2) 32位cpu

隨著計算機產業的進步，出現了32位的cpu，一次能處理 32bit（4個位元組）的資料。這個時候就提出了虛擬位址的概念，並被應用到cpu和作業系統中，由它們共同完成虛擬位址和實體地址的對映，這使得程式編寫更加容易，執行更加安全。

典型的32位處理器是 intel 的 80386 和 intel pentium 4（奔騰4）：80386 的資料匯流排和位址匯流排寬度都是32位，定址能力達4gb；pentium 4的位址匯流排寬度是36位，理論定址能力達64gb。

3) 64位cpu

現代計算機都使用64位的cpu，它們一次能處理64bit（8個位元組）的資料。典型的64位處理器是 intel 的 core i3、i5、i7 等，它們的位址匯流排寬度為 40~50 位左右。64位cpu的出現使個人電腦再次發生了質的飛躍。

cpu支援的物理記憶體只是理論上的資料，實際應用中還會受到作業系統的限制，例如，win7 64位家庭版最大僅支援8gb或16gb的物理記憶體，win7 64位專業版或企業版能夠支援到192gb的物理記憶體。

windows server 2003 資料中心版專為大型企業或國家機構而設計，可以處理海量資料，分為32位版和64位版，32位版最高支援512gb的物理記憶體，這顯然超出了32位cpu的定址能力，可以通過兩次定址來實現。

為了相容不同的平台，現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，乙個指標或位址占用4個位元組的記憶體，共有32位，理論上能夠訪問的虛擬記憶體空間大小為 2^32 = 0x100000000 bytes，即4gb，有效虛擬位址範圍是 0 ~ 0xffffffff。

也就是說，對於32位的編譯模式，不管實際物理記憶體有多大，程式能夠訪問的有效虛擬位址空間的範圍就是0 ~ 0xffffffff，也即虛擬位址空間的大小是 4gb。換句話說，程式能夠使用的最大記憶體為 4gb，跟物理記憶體沒有關係。

如果程式需要的記憶體大於物理記憶體，或者記憶體中剩餘的空間不足以容納當前程式，那麼作業系統會將記憶體中暫時用不到的一部分資料寫入到磁碟，等需要的時候再讀取回來，這在《

載入記憶體，讓程式執行起來

》中已經講到。而我們的程式只管使用 4gb 的記憶體，不用關心硬體資源夠不夠。

如果物理記憶體大於 4gb，例如目前很多pc機都配備了8gb的記憶體，那麼程式也無能為力，它只能夠使用其中的 4gb。

64位編譯模式

在64位編譯模式下，乙個指標或位址占用8個位元組的記憶體，共有64位，理論上能夠訪問的虛擬記憶體空間大小為 2^64。這是乙個很大的值，幾乎是無限的，就目前的技術來講，不但物理記憶體不可能達到這麼大，cpu的定址能力也沒有這麼大，實現64位長的虛擬位址只會增加系統的複雜度和位址轉換的成本，帶不來任何好處，

所以 windows 和 linux 都對虛擬位址進行了限制，僅使用虛擬位址的低48位（6個位元組），總的虛擬位址空間大小為 2^48 = 256tb。

需要注意的是：

目前計算機可以說已經進入了64位的時代，之所以還要提供32位編譯模式，是為了相容一些老的硬體平台和作業系統，或者某些場合下32位的環境已經足夠，使用64位環境會增大成本，例如嵌入式系統、微控制器、工控等。

這裡所說的32位環境是指：

32位的cpu + 32位的作業系統 + 32位的程式。

另外需要說明的是，32位環境擁有非常經典的設計，易於理解，適合教學，現有的很多資料都是以32位環境為基礎進行講解的。本教程也是如此，除非特別指明，否則都是針對32位環境。相比於32位環境，64位環境的設計思路並沒有發生質的變化，理解了32環境很容易向64位環境遷移。

以 vs2010 為例，建立工程後預設是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」，彈出如下的對話方塊：

在「活動解決方案平台」下選擇「新建」，彈出下面的對話方塊：

在下拉列表中選擇「x64」，即可新增64位編譯模式。現在，我們就可以在兩種編譯模式之間進行切換了：

將下面的**複製到原始檔中：

#include
#include
int a;
intmain
()

在 win32 編譯模式下的結果：

0xb715c, 4

在 x64 編譯模式下的結果：

0x3ff39740, 8

虛擬位址空間以及編譯模式

虛擬位址空間

虛擬位址空間

虛擬位址空間

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