C语言与内存需要知道的事情：寄存器、总线、主频、编译模式

• 寄存器

  寄存器（Register）是CPU内部非常小、运行非常快的存储部件，一般容量很小，32位的CPU寄存器一般能储存32位（4字节）的数据；64位CPU寄存器一般存储64位（8个字节）的数据。

  所以，现代CPU都内置了几十上百个寄存器。

  即，我们常说的多少位的CPU，指的就是寄存器的位数。

  CPU用寄存器来记录程序的运行状态，然后根据它的值再决定下一步的操作。

• 数据总线

  数据总线位于主板上，与CPU是并列关系。用于在内存和CPU之间传输数据。

  CPU的最大数据处理能力，就是CPU所能够支持的数据总线的最大根数。

  8位–>16位–>32位–>64位，

  位数即可以指寄存器，也可以指总线，大部分时候两者相同。

  还有个地址总线，用于在内存上定位数据。

• 主频

  表示单位时间内，计算的次数。

  几十KHz–> 几百MHz --> 4GHz,

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  硅晶体的硬件限制，导致只能往多核方向发展，

• CPU的两个方面

  CPU有两个重要指标：数据总线和主频，决定了两个方面：数据处理能力和单位时间里数据处理次数，两者的乘积就是CPU单位时间内的数据处理量。

  而数据处理能力（即数据总线）是一次的数据处理量。

  CPU一次（一个时钟内）能处理的数据的大小由寄存器的位数和数据总线的宽度决定。

• 编译模式

• 32位编译模式

  再32位模式下，一个指针或地址占用4个字节的内存，共有32位，理论上能够访问的虚拟内存空间大小为2^32 = 0X100000000 Bytes，即4GB，有效虚拟地址范围是0 - 0XFFFFFFFF。

  就是说，32位编译模式下，不管实际物理内存有多大，程序能够访问的有效虚拟地址空间最大就是4GB。

  即便很多PC机扩容到8GB的内存（物理），对于32位编译模式下的程序也不会有提高，它只能用其中的4GB。

• 64位编译模式

  在64位编译模式下，一个指针或地址占用8个字节的内存，共有64位，理论上能够访问的虚拟内存空间大小位2^64，远超实际物理内存所能到达的可能。

• CPU读取内存数据限制

  计算机内存是以字节（Byte）为单位划分的，理论上CPU可以访问任意编号的字节，但实际并非如此。

  CPU通过地址总线来访问内存，一次能够处理几个字节的数据，就命令地址总线读取几个字节的数据。32位的CPU一次可以处理4个字节的数据，那么每次就从内存读取4个字节的数据；少了浪费主频，多了没有用。

  32位CPU实际寻址的步长为4个字节，因此只能对编号为4的倍数的内存寻址，比如*0，4，8，12…而不会对编号1、2、3、5、6…*的内存寻址。

  因此，一个变量最好位于一个寻址步长的范围内，这样一次就可以读取到变量的值，如果跨补偿存储，就需要读取两次进行拼接，自然降低效率。

  比如一个长度为4个字节的int类型，如果地址为8，非常简单，对编号为8的内存寻址一次就可以；如果地址为10，就需要三步操作：

  1. 先对编号8的内存寻址，读取4个字节，得到这个int数据的前半部分；
  2. 再对编号为12的内存寻址，读取4个字节，得到这个int数据的后半部分；
  3. 最后将上面两个部分拼接起来，得到需要的int数据；

  将一个数据尽量放在一个步长之内，避免跨步长存储，这称为内存对齐。

  内存对齐，是计算机的运行原理，并不是C语言的特性，Python等其他编程语言也会有内存对齐的问题。

• References

1. C语言中文网