64位平台下,指针自身的大小为什么是8字节?

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系列导读

本系列基于64位平台、1Page=8KB

今天我们开始拉开《Go语言轻松系列》第二章「内存与垃圾回收」的序幕。

关于「内存与垃圾回收」章节,大体从如下三大部分展开:

  • 知识预备:为后续的内容做一些知识储备,知识预备包括

    • 指针的大小
    • Tcmalloc内存分配原理
  • Go内存设计与实现
  • Go的垃圾回收原理

本篇前言

第一部分知识预备的第一个知识点指针的大小

为什么指针的大小会作为一个知识点呢?

因为后续内存管理的内容会涉及一些数据结构,这些数据结构使用到了指针,同时存储指针的值是需要内存空间的,所以我们需要了解指针的大小,便于我们理解一些设计的意图;其次,这也是困扰我的一个问题,因为有看见64位平台下指针底层定义的类型为uint64

为了搞清楚这个问题,我们需要了解两个知识点:

  1. 存储单元
  2. CPU总线

什么是存储单元?

存储单元是存储器(本文指内存)的基本单位,每个存储单元是8bit,也就是1Byte,如下图所示:

同时从上图中我们可以看出,每个存储单元会被编号,这个编号又是什么呢?

  • 就是我们通常所谓的“内存的地址”
  • 也就是指针的值
结论:指针的值就是存储单元的编号。

接着,我们只需要知道这个「编号」的最大值是多少,就可以知道存储「指针」的值所需的大小。要找到这个最大值就需要了解CPU总线的知识了。

CPU总线的概念


CPU总线由系统总线、等等其他总线组成。

总线的组成
系统总线
等等其他总线...

系统总线由一系列总线组成。

系统总线的组成
地址总线
数据总线
信号总线

内存的地址(存储单元的编号)是通过地址总线传递的,地址总线里的“每一根线”传递二进制01,如下图所示(实际不是这么简单,图示为了便于大家理解)。

地址总线的宽度决定了一次能传递多少个01,由于64位CPU每次可处理64位数据,所以理论上地址总线的宽度可以支持到最大64,也就是2^64种组合,可代表的数字范围为0 ~ 2^64-1

结论:理论上64位CPU地址总线可传输的10进制数范围为0 ~ 2^64-1

上面知道64位CPU的地址总线可寻址范围 为 0 ~ 2^64-1,需要一个类型可以存储这个指针的值,毫无疑问就是uint64uint64又是多大呢?是不是8byte。所以:64位平台下,一个指针的大小是8字节

顺便扩充个问题:

为什么32位平台下,可寻址空间是4GB?
备注:64位太大,我们这里用32位来看这个问题

我们来分析一下:

  • 由于,32位平台可支持地址总线的最大宽度为32,及代表的存储单元编号的范围:0 ~ 2^32-1
  • 则,最多可以找到2^32个存储单元
  • 又有,存储单元的大小为8bit(1Byte)

所以我们可以得到,32位平台最多可以寻找到2^32个存储单元,再翻译下2^32个存储单元这句话:

2^32个存储单元 == 2^32个1Byte == 2^32Byte == 4GByte == 4GB

做个总结哈

我们回头再来看,本次内容可以get到如下知识点:

  • 存储器的基本单位是存储单元
  • 存储单元为8bit
  • 指针的值就是存储单元的编号
  • CPU地址总线的宽度决定了指针的值的最大范围

查看《Go语言轻松系列》更多内容

链接 http://tigerb.cn/go/#/kernal/

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