32 位与 64 位系统

Question

32 位和 64 位系统有什么区别？

如果你都使用过它们，你经历过什么样的明显差异？

在某些情况下，在 64 位系统上使用 32 位程序会不会有问题？

Answer 1

注意：这些答案适用于基于 x86 的标准 PC CPU（Intel 和 AMD）和 Windows（通常为最终用户配置）。其他 32 位或 64 位芯片、其他操作系统和其他操作系统配置可以有不同的权衡。

从技术角度来看，64 位操作系统为您提供：

• 允许单个进程处理每个超过 4 GB 的 RAM（实际上，大多数但并非所有 32 位操作系统还将总可用系统 RAM 限制为小于 4 GB，而不仅仅是每个应用程序的最大值）。

• 所有指针占用 8 个字节而不是 4 个字节。对 RAM 使用的影响很小（因为您不太可能让应用程序充满数千兆字节的指针），但在最坏的理论情况下，这可以使 CPU 缓存能够容纳 1/2 的指针（使它实际上是大小的 1/2）。对于大多数应用程序来说，这并不是什么大问题。

• 64 位模式下还有更多通用 CPU 寄存器。寄存器是整个系统中最快的内存。32位模式下只有8个，64位模式下只有16个通用寄存器。在我编写的科学计算应用程序中，通过在 64 位模式下重新编译（我的应用程序可以真正使用额外的寄存器），我发现性能提高了 30%。

• 大多数 32 位操作系统实际上只允许单个应用程序使用 2 GB 的 RAM，即使您安装了 4 GB。这是因为另外 2 GB 的地址空间被保留用于在应用程序之间共享数据、与操作系统以及与驱动程序通信。Windows 和 Linux 允许您将此权衡调整为 3 GB 用于应用程序和 1 GB 共享，但这可能会导致某些不希望更改的应用程序出现问题。我还猜测它可能会削弱具有 1 GB RAM 的显卡（但我不确定）。64 位操作系统可以为单个 32 位应用程序提供更接近完整 4 GB 的可用空间。

从用户的角度：

• 与 32 位操作系统上的应用程序的 32 位版本相比，64 位操作系统中的 64 位应用程序的应用程序速度通常更快，但大多数用户不会看到这种加速。普通用户的大多数应用程序并没有真正利用额外的寄存器，或者通过填充缓存的更大的指针来抵消好处。

• 如果您有任何占用内存的应用程序（如照片编辑器、视频处理、科学计算等），如果您拥有（或可以购买）超过 3 GB 的 RAM，并且您可以获得该应用程序的 64 位版本，选择很简单：使用 64 位操作系统。

• 某些硬件没有 64 位驱动程序。在进行切换之前，请检查您的主板、所有插件卡和所有 USB 设备。请注意，在 Windows Vista 的早期，驱动程序存在很多问题。这些天的情况普遍好转。

• 如果您一次运行太多应用程序而导致 RAM 不足（通常您可以判断出这一点，因为您的计算机开始变得非常慢并且您听到硬盘驱动器嘎吱作响），那么您将需要 64 位操作系统（和足够的内存）。

• 您可以在 64 位 Windows 中运行 32 位应用程序（但不能运行驱动程序）而不会出现问题。我为 64 位 Windows 中的 32 位应用程序测得的最严重的减速大约是 5%（这意味着如果在 32 位 Windows 中执行某事需要 60 秒，则最多需要 60*1.05 = 65 秒） 64 位 Windows 中的相同 32 位应用程序）。

什么32位与64位并没有暗示：

在 x86 系统上，32 位与 64 位直接指的是指针的大小。就这样。

• 它不是指 Cint类型的大小。这是由特定的编译器实现决定的，大多数流行的编译器int在 64 位系统上选择 32位。

• 它不直接指普通非指针寄存器的大小。但是，使用 64 位算术寄存器恰好要求应用程序和操作系统也以 64 位指针模式运行。

• 它不直接指物理地址总线的大小。例如，具有 64 位宽缓存线和最大 512GiB 内存的系统在其地址总线（即log2(512*1024**3) - log2(64) = 33）中只需要 33 位。

• 它不是指物理数据总线的大小：这与制造成本（CPU 插槽中的引脚数）和缓存线大小更相关。

Answer 2

基本上你可以在更大的范围内做任何事情：

1. 每个操作系统的RAM ： x86 上操作系统的RAM 限制为 4GB（大部分时间）
2. 每个进程的RAM ： x86 上进程的 RAM 限制为 4GB（始终）。如果您认为这不重要，请尝试运行大型 MSSQL 数据库密集型应用程序。如果您有可用并且运行得更好，它将使用> 4GB 本身。
3. 地址：地址是 64 位而不是 32 位，允许您拥有使用更多内存的“更大”程序。
4. 程序可用的句柄：您可以创建更多的文件句柄、进程……例如在 Windows x64 上，您可以为每个进程创建 > 2000 个线程，但在 x86 上接近几百个。
5. 更广泛的可用程序：您可以从 x64 运行 x86 和 x64 程序。（例如 windows：wow64、windows32 on windows64 仿真）
6. 仿真选项：您可以从 x64 运行 x86 和 x64 虚拟机。
7. 更快：某些计算在 64 位 CPU 上更快
8. 划分多个系统资源：当您想要运行至少一个划分系统资源的 VM 时，大量 RAM 内存非常重要。
9. 可用的独家程序：几个新程序仅支持 x64。示例 Exchange 2007。
10. 未来过时的 x86？：随着时间的推移，越来越多的 64 位将被使用，而越来越多的 x86 将不会被使用。因此，供应商将越来越多地支持 64 位。

2 大类型的 64 位架构是 x64 和 IA64 架构。但到目前为止，x64 是最受欢迎的。

x64 可以运行 x86 命令以及 x64 命令。IA64 也运行 x86 命令，但它不进行 SSE 扩展。Itanium 有专门用于运行 x86 指令的硬件；它是一个模拟器，但在硬件中。

正如@Phil 提到的，您可以在这里更深入地了解它的工作原理。

Answer 3

目前人们会注意到的最大影响是32位PC最多只能寻址4GB内存。当您取消操作系统为其他用途分配的内存时，您的 PC 可能只会显示大约 3.25GB 的可用内存。移至 64 位，此限制将消失。

如果您正在认真开发，那么这可能非常重要。尝试运行多个虚拟机，很快就会耗尽内存。服务器更可能需要额外的内存，因此您会发现服务器上的 64 位使用率远高于台式机。摩尔定律确保我们将在机器上拥有更多内存，因此在某些时候台式机也将切换到 64 位作为标准。

有关处理器差异的更详细说明，请查看来自ArsTechnica 的这篇优秀文章。

Answer 4

没有什么是免费的：虽然 64 位应用程序可以访问比 32 位应用程序更多的内存，但缺点是它们需要更多的内存。所有那些过去需要 4 个字节的指针，现在需要 8 个。例如，当为 64 位架构构建时，Emacs 中的默认要求是多 60% 的内存。这种额外的占用空间会损害内存层次结构的每个级别的性能：更大的可执行文件需要更长的时间从磁盘加载，更大的工作集会导致更多的分页，更大的对象意味着更少的处理器缓存。如果您考虑具有 16K L1 缓存的 CPU，32 位应用程序可以在未命中并进入 L2 缓存之前处理 4096 个指针，但 64 位应用程序必须在仅 2048 个指针之后到达 L2 缓存。

在 x64 上，这可以通过其他架构改进（如更多寄存器）来缓解，但在 PowerPC 上，如果您的应用程序不能使用 >4G，则在“ppc”上的运行速度可能比在“ppc64”上更快。即使在 Intel 上，也有一些工作负载在 x86 上运行得更快，但很少有工作负载在 x64 上的运行速度比 x86 快 5% 以上。

Answer 5

64 位操作系统可以使用更多 RAM。在实践中，就是这样。64 位 Vista/7 使用更高级的安全功能来放置重要组件在 RAM 中的位置，但这并不是真正“值得注意的”。

来自 ChrisInEdmonton：

带有 PAE 的 ix86 系统上的 32 位操作系统最多可以寻址 64 GB 的 RAM。x86-64 上的 64 位操作系统最多可以访问 256 TB 的虚拟地址空间，尽管这可能会在后续处理器中增加，最高可达 16 EB。请注意，某些操作系统会进一步限制地址空间，并且大多数主板会有额外的限制。

Answer 6

不确定我可以在不写整篇文章的情况下回答你所有的问题（总是有谷歌......），但你不需要为 64 位设计不同的应用程序。我想所指的是您必须注意指针大小不再与整数大小相同的事情。而且你有一大堆潜在问题，即对某些类型的数据有四个字节长的内置假设，这些假设可能不再正确。

这很可能会导致应用程序中的各种事情发生 - 从文件保存/加载、遍历数据、数据对齐，一直到对数据进行按位操作。如果您有一个现有的代码库，您正在尝试移植，或者在两者上工作，那么您可能会有很多小问题需要解决。

我认为这是一个实现问题，而不是设计问题。即我认为说的“设计”，无论文字大小如何，照片编辑包都将是相同的。我们编写的代码可以编译为 32 位和 64 位版本，两者的设计当然没有区别 - 这是相同的代码库。

64 位的基本“大问题”是您可以访问比 32 位大得多的内存地址空间。这意味着您可以真正将超过 4Gb 的内存装入您的计算机，并真正发挥作用。

我相信其他答案会比我更详细和受益。

在检测差异方面，然后以编程方式检查指针的大小（例如 sizeof (void*)）。答案 4 表示它的 32 位，而 8 表示您在 64 位环境中运行。

Answer 7

32 位进程具有 4 GB 的虚拟地址空间；对于某些应用程序来说，这可能太少了。64 位应用程序具有几乎无限的地址空间（当然它是有限的，但您很可能不会达到此限制）。

在 OSX 上还有其他优势。请参阅以下文章，为什么让内核在 64 位地址空间中运行（无论您的应用程序运行的是 64 位还是 32 位）或让您的应用程序在 64 位地址空间中运行（而内核仍为 32 位）会带来更好的性能。总结一下：如果其中一个是 64 位（内核或应用程序，或者两者都是），则无论何时从内核切换到使用空间并返回（这将加快速度）都不必刷新 TLB（“翻译后备缓冲区”） RAM 访问）。

在使用“long long int”变量（64 位变量，如 uint64_t）时，性能也会有所提升。32 位 CPU 可以加/除/减/乘两个 64 位值，但不能在单个硬件操作中进行。相反，它需要将此操作拆分为两个（或更多）32 位操作。因此，与 64 位数字一起工作的应用程序将具有能够直接在硬件中进行 64 位数学运算的速度增益。

最后但并非最不重要的一点是，x86-64 架构提供了比经典 x86 架构更多的寄存器。使用寄存器比使用 RAM 快得多，并且 CPU 拥有的寄存器越多，需要将寄存器值交换到 RAM 并返回到寄存器的频率就越低。

要了解您的 CPU 是否可以在 64 位模式下运行，您可以查看各种 sysctl 变量。例如打开一个终端并输入

sysctl machdep.cpu.extfeatures

如果列出 EM64T，则您的 CPU 根据 x86-64 标准支持 64 位地址空间。你也可以找

sysctl hw.optional.x86_64

如果显示 1（真/启用），则您的 CPU 支持 x86-64 位模式，如果显示 0（假/禁用），则不支持。如果根本没有找到该设置，则认为它是错误的。

注意：您还可以从本机 C 应用程序中获取 sysctl 变量，无需使用命令行工具。看

man 3 sysctl

Answer 8

请注意，地址空间可用于多个（真实）内存。还可以内存映射大文件，这可以在更奇怪的访问模式下提高性能，因为更强大和更高效的块级 VM 级缓存开始了。在 64 位上分配大内存块也更安全，因为堆管理器更少可能会遇到不允许它分配大块的地址空间碎片。

该线程中说的一些内容（例如#寄存器的加倍）仅适用于 x86-> x86_64，一般不适用于 64 位。就像在 x86_64 下保证有 SSE2、686 操作码和一种廉价的 PIC 方法一样。这些功能严格来说不是关于 64 位的，而是关于减少遗留和补救已知的 x86 限制

此外，人们经常指出寄存器加倍是加速的原因，而更有可能使用默认的 SSE2 来解决问题（加速 memcpy 和类似功能）。如果您为 x86 启用相同的设置，则差异会小得多。(*) (***)

还要记住，通常会涉及初始惩罚，因为平均数据结构只会因为指针的大小变大而增加。这也有缓存效果，但更值得注意的是平均 memcpy() （或任何等价的内存复制在您的语言中）将花费更长的时间。顺便说一句，这只是几个百分点的幅度，但上面提到的加速也有这个幅度。

通常，64 位架构上的对齐开销也更大（以前的 32 位记录通常只会变成 32 位和 64 位值的混合），甚至更多地破坏结构。

总的来说，我的简单测试表明，如果驱动程序和运行时库已经完全适应，它们将大致相互抵消，平均应用程序没有显着的速度差异。然而，某些应用程序可能会突然变得更快（例如，当依赖 AES 时）或变慢（关键数据结构不断移动/扫描/走动并包含大量指针）。不过，测试是在 Windows 上进行的，因此未对 PIC 优化进行基准测试。

请注意，大多数 JIT-VM 语言（Java、.NET）平均（内部）使用的指针比 C++ 多得多。可能它们的内存使用量比普通程序增加的更多，但我不敢直接将其等同于减慢效果（因为这些确实是复杂而时髦的野兽，而且通常很难在不进行测量的情况下进行预测）

Windows 64 位默认使用 SSE2 进行浮点运算，这似乎加快了简单的运算速度并减慢了复杂的（正弦、余弦等）运算速度。

(*) 一个鲜为人知的事实是，SSE 寄存器的数量在 64 位模式下也翻了一番

(**) 多布斯博士几年前有一篇关于它的好文章。

Answer 9

除了大多数人在这里提到的明显的内存空间问题之外，我认为值得看看 Knuth（以及其他人）最近一直在谈论的“宽词计算”的概念。通过位操作可以获得很多效率，并且对 64 位字的按位运算比对 32 位字更进一步。简而言之，您可以在寄存器中执行更多操作而不必占用内存，从性能角度来看，这是一个巨大的胜利。

查看第 4 卷，前分册 1A，了解我正在谈论的一些很酷的技巧示例。

Answer 10

除了能够寻址更多内存之外，x86_64 还具有更多寄存器，允许编译器生成更高效的代码。不过，性能提升通常很小。

x86_64 架构向后兼容 x86。可以运行未经修改的 32 位操作系统。还可以从 64 位操作系统运行未经修改的 32 位软件。不过，这将需要所有常用的 32 位库。它们可能需要单独安装。

Answer 11

这个话题已经太长了，但是......

大多数回复都集中在您拥有更大的 64 位地址空间，因此您可以寻址更多内存这一事实。对于大约 99% 的应用程序，这完全无关紧要。大吼。

在真正的原因64位是好是不是该寄存器是更大的，但也有两倍多的人！这意味着编译器可以将更多的值保存在寄存器中，而不是将它们溢出到内存中，然后在几条指令中将它们加载回来。如果优化编译器为您展开循环，它可以展开大约两倍的循环，这确实有助于提高性能。

此外，64 位的子例程调用方/被调用方约定已被定义为将大部分传递的参数保存在寄存器中，而不是调用方将它们压入堆栈而被调用方将它们弹出。

因此，“典型的”C/C++ 应用程序仅通过为 64 位重新编译即可获得大约 10% 或 15% 的性能改进。（假设应用程序的某些部分受计算限制。当然，这并不能保证；所有计算机都以相同的速度等待。您的里程可能会有所不同。）

Answer 12

除了已经提到的优点之外，这里还有一些关于安全性的优点：

• x86_64 cpu 在它们的页表中确实有不执行位。即这可以防止由缓冲区溢出引起的安全漏洞。32 位 x86 cpu 仅在 PAE 模式下支持此功能。
• 更大的地址空间允许更好的地址空间布局随机化 (ASLR)，这使得缓冲区溢出的利用更加困难。
• x86_64 CPU 具有位置无关代码，即相对于指令指针寄存器 (RIP) 的数据访问。

想到的另一个优点是，vmalloc()在 64 位模式下，Linux 内核中分配的虚拟连续内存量可能更大。

Answer 13

来自 Microsoft.com 的报价：

在下表中，基于 64 位版本的 Windows 和 64 位 Intel 处理器的计算机增加的最大资源与现有的 32 位资源最大值进行了比较。

Answer 14

对于 32 位机器，您只有 4,294,967,295 字节的内存需要寻址。对于 64 位机器，您有 1.84467441 × 10^19 字节的内存。

维基百科是这么说的

64 位处理器计算特定任务（例如大数字的阶乘）的速度是在 32 位环境中工作的两倍（给出的示例来自 32 位和 64 位 Windows 计算器之间的比较；对于 100 000 的阶乘很明显）。这给出了 64 位优化应用程序的理论可能性的一般感觉。

虽然 64 位架构无疑使在数字视频、科学计算和大型数据库等应用程序中处理大型数据集变得更容易，但关于它们或它们的 32 位兼容模式是否会比同等价格的更快用于其他任务的 32 位系统。在 x86-64 架构（AMD64）中，大多数 32 位操作系统和应用程序都能够在 64 位硬件上流畅运行。

Sun 的 64 位 Java 虚拟机启动速度比 32 位虚拟机慢，因为 Sun 只为 64 位平台实现了“服务器”JIT 编译器 (C2)。[9] “客户端”JIT 编译器 (C1) 生成的代码效率较低，但编译速度快得多，在 64 位平台上不可用。

应该注意的是，在比较 32 位和 64 位处理器时，速度并不是唯一需要考虑的因素。如果部署正确，多任务、压力测试和集群（用于高性能计算）、HPC 等应用程序可能更适合 64 位架构。出于这个原因，64 位集群已广泛部署在 IBM、HP 和 Microsoft 等大型组织中。