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从代码到到可执行文件

从可执行文件到进程

CPU位数的含义

系统和软件的位数的含义

程序数值int32和int64的含义

系统位数会限制内存吗？

总结

关于32位和64位，这个概念一直让人比较懵。

在买电脑的时候，我们看到过32位和64位CPU。

下软件的时候，我们也看到过32位或64位的软件。

就连装虚拟机的时候，我们也看过32位和64位的系统。

在写代码的时候，我们的数值，也可以定义为int32或者int64。

我们当然很清楚，装软件的时候，一般64位的系统就选64位的软件，肯定不出错，但是这又是为什么呢？既然CPU，软件，操作系统，数值大小都有32位和64位，他们之间就可以随意组合成各种问题，比如32位的系统能装64位的软件吗？32位的系统能计算int64的数值吗？他们之间到底有什么关系？这篇文章会尝试解释清楚。

从代码到到可执行文件

我们从熟悉的场景开始说起，比方说，我们写代码的时候，会在代码编辑器里写入。

// test.c
#include <stdio.h>

int main()
{
         int i,j;
         i = 3;
         j = 2;
         return i + j;
}

但这个代码是给人看的，机器可看不懂，于是这段代码，还会经过被编译器转成汇编码。

汇编码就是我们大学的时候学的头秃的这种

    // gcc -S test.c
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset %rbp, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register %rbp
    movl    $0, -4(%rbp)
    movl    $3, -8(%rbp)
    movl    $2, -12(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %eax
    addl    -12(%rbp), %eax
    popq    %rbp
    retq

大家也别去看上面的内容，没必要。

而汇编，总归还是有各种movl，pushq这些符号，虽然确实不好看，但说到底还是给人看的，而机器cpu要的，说到底还是要0101这样的二进制编码，所以还需要使用汇编器将汇编转成二进制的机器码。我们可以看到下面内容分为3列，左边是指令地址， 右边是汇编码内容，中间的就是指令机器码，是16进制，可以转成二进制01串，这就是机器cpu能认识的内容了。

// objdump -d test
0000000000001125 <main>:
    1125:    55                      push   %rbp
    1126:    48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
    1129:    c7 45 fc 03 00 00 00    movl   $0x3,-0x4(%rbp)
    1130:    c7 45 f8 02 00 00 00    movl   $0x2,-0x8(%rbp)
    1137:    8b 55 fc                mov    -0x4(%rbp),%edx
    113a:    8b 45 f8                mov    -0x8(%rbp),%eax
    113d:    01 d0                   add    %edx,%eax
    113f:    5d                      pop    %rbp
    1140:    c3                      retq   
    1141:    66 2e 0f 1f 84 00 00    nopw   %cs:0x0(%rax,%rax,1)
    1148:    00 00 00 
    114b:    0f 1f 44 00 00          nopl   0x0(%rax,%rax,1)

而机器码，最后会放在我们编译生成的可执行文件里。

也就是说我们平时写的代码，最后会变成一堆01机器码，放在可执行文件里，躺在磁盘上。

从可执行文件到进程

一旦我们执行以下命令

./可执行文件名

这个可执行文件就会加载进内存中，成为一个进程，运行起来。

可执行文件里的机器码也会被加载到内存中，它就像是一张列满todo list的清单，而CPU就对照着这张清单，一行行的执行上面的机器码。从效果上来看，进程就动起来了。

对CPU来说，它执行到某个特定的编码数值，就会执行特定的操作。比如计算2+3，其实就是通过总线把数据2和3从内存里读入，然后放到寄存器上，再用加法器相加这两个数值并将结果放入到寄存器里，最后将这个数值回写到内存中，以此循环往复，一行行执行机器码直到退出。

CPU位数的含义

上面这个流程里，最重要的几个关键词，分别是CPU寄存器，总线，内存。

CPU的寄存器，说白了就是个存放数值的小盒子，盒子的大小，叫位宽。32位CPU能放入最大2^32的数值。64位就是最大2^64的值。这里的32位位宽的CPU就是我们常说的32位CPU，同理64位CPU也是一样。

而CPU跟内存之间，是用总线来进行信号传输的，总线可以分为数据总线，控制总线，地址总线。功能如其名，举个例子说明下他们的作用吧。在一个进程的运行过程中，CPU会根据进程的机器码一行行执行操作。

比如现在有一行是将A地址的数据与B地址的数据相加，那么CPU就会通过控制总线，发送信号给内存这个设备，告诉它，现在CPU要通过地址总线在内存中找到A数据的地址，然后取得A数据的值，假设是100，那么这个100，就会通过数据总线回传到CPU的某个寄存器中。B也一样，假设B=200，放到另一个寄存器中，此时A和B相加后，结果是300，然后控制CPU通过地址总线找到返回的参数地址，再把数据结果通过数据总线传回内存中。这一存一取，CPU都是通过控制总线对内存发出指令的。

而总线，也可以理解为有个宽度，比如宽度是32位，那么一次可以传32个0或1的信号，那么这个宽度能表达的数值范围就是0到2^32这么多。

32位CPU的总线宽度一般是32位，因为刚刚上面提到了，CPU可以利用地址总线在内存中进行寻址操作，那么现在这根地址总线，最大能寻址的范围，也就到2^32，其实就是4G。

64位CPU，按理说总线宽度是64位，但实际上是48位（也有看到说是40位或46位的，没关系，你知道它很大就行了），所以寻址范围能到2^48次方，也就是256T。

系统和软件的位数的含义

上面提到了32位CPU和64位CPU的内存寻址范围，那么相应的操作系统，和软件（其实操作系统也能说是软件），也应该按CPU所能支持的范围去构建自己的寻址范围。

比方说下面这个图，在操作系统上运行一个用户态进程，会分为用户态和内核态，并设定一定的内存布局。操作系统和软件都需要以这个内存布局为基础运行程序。比如32位，内核态分配了1个G，用户态分配了3G，这种时候，你总不能将程序的运行内存边界设定在大于10G的地方。所以，系统和软件的位数，可以理解为，这个系统或软件内存寻址的范围位数。

一般情况下，由于现在我们的CPU架构在设计上都是完全向前兼容的，别说32位了，16位的都还兼容着，因此64位的CPU是能装上32位操作系统的。

同理，64位的操作系统是兼容32位的软件的，所以32位软件能装在64位系统上。

但反过来，因为32位操作系统只支持4g的内存，而64位的软件在编译的时候就设定自己的内存边界不止4个G，并且64位的CPU指令集内容比32位的要多，所以32位操作系统是肯定不能运行64位软件的。

同理，32位CPU也不能装64位的操作系统的。

程序数值int32和int64的含义

这个我们平时写代码接触的最多，比较好理解了。int32也就是用4个字节，32位的内存去存储数据，int64也就是用8个字节，64位去存数据。这个数值就是刚刚CPU运行流程中放在内存里的数据。

那么问题又来了。

32位的CPU能进行int64位的数值计算吗？

先说结论，能。但比起64位的CPU，性能会慢一些。

如果说我用的是64位的CPU，那么我在计算两个int64的数值相加时，我就能将数据通过64位的总线，一次性存入到64位的寄存器，并在进行计算后返回到内存中。整个过程一步到位，一气呵成。

但如果我现在用的是32位的CPU，那就憋屈一点了，我虽然在代码里放了个int64的数值，但实际上CPU的寄存器根本放不下这么大的数据，因此最简单的方法是，将int64的数值，拆成前后两半，现在两个int64相加，就变成了4个int32的数值相加，并且后半部分加好了之后，拿到进位，才能去计算前面的部分，这里光是执行的指令数就比64位的CPU要多。所以理论上，会更慢些。

系统位数会限制内存吗？

上面提到了CPU位数，系统位数，软件位数，以及数值位数之间的区别与联系。

现在，我们回到标题里提到的问题。

32位CPU和系统插8g内存条，能用吗？

系统能正常工作，但一般用不到8G，因为32位系统的总线寻址能力为2的32次方，也就是4G，哪怕装了8G的内存，真正能被用到的其实只有4g，多少有点浪费。

注意上面提到的是一般，为什么这么说，因为这里有例外，32位系统里，有些是可以支持超过4G内存的，比如Windows Server 2003就能最大支持64G的内存，它通过使用 PAE （Intel Physical Address Extension）技术向程序提供更多的物理内存，PAE本质上是通过分页管理的方式将32位的总线寻址能力增加到36位。因此理论上寻址能力达到2的36次方，也就是64G。

至于实现细节大家也不用关心，现在用到这玩意的机器也该淘汰的差不多了，而且都是windows server，注意Windows Server 2003 名字里带个server，是用来做服务器的，我们一般也用不到，知道这件事，除了能帮助我们更好的装x外，就没什么作用了。

所以，你当32位系统最大只能用到4G内存，那也没毛病。

64位CPU装32位操作系统，再插上8g的内存条，寻址能力还是4G吗

上面提到32位CPU就算插上8G内存条，寻址能力也还是4G，那如果说我现在换用64位的CPU，但装了个32位的操作系统，这时候插入8G内存条，寻址能力能超过4G吗？

寻址能力，除了受到cpu的限制外，还受到操作系统的限制，如果操作系统就是按着32位的指令和寻址范围（4G）来编译的话，那么它就会缺少64位系统该有的指令，它在运行软件的时候就不能做到超过这个限制，因此寻址能力还会是4G。

总结

• CPU位数主要指的是寄存器的位宽，

• 32位CPU只能装32位的系统和软件，且能计算int64，int32的数值。内存寻址范围是4G。

• 64位CPU，同时兼容32位和64位的系统和软件，并且进行int64数值计算的时候，性能比32位CPU更好，内存寻址范围可以达到256T。

• 32位CPU和操作系统，插入8G的内存，会有点浪费，因为总线寻址范围比较有限，它只能用上4G不到的内存。

• 64位CPU，如果装上32位的操作系统，就算插上8G的内存，效果也还是只能用上4G不到的内存。