Zusammenfassung:
Es gibt seit langem eine scheinbar vernünftige Erklärung dafür, warum 32-Bit-Windows nur 4 GB Speicher nutzen kann: Weil 32-Bit-Adressen nur 2 ^ 32 Adressen darstellen können, was maximal 4 GB Speicher entspricht. Der leitende Microsoft-Ingenieur Raymond Chen hat dieses historische Problem jedoch kürzlich erneut erläutert und darauf hingewiesen, dass diese Aussage unvollständig ist. Tatsächlich verfügen 32-Bit-x86-Prozessoren und Windows seit langem über die Möglichkeit, auf mehr als 4 GB physischen Speicher zuzugreifen. Der Hauptgrund, warum Microsoft sich schließlich dafür entschied, die normale Consumer-Version von Windows auf 4 GB zu beschränken, war das ernsthafte Kompatibilitätsrisiko im damaligen riesigen und komplexen Hardware-Treiber-Ökosystem.
Aus Sicht der reinen Hardwarefähigkeit haben 32-Bit-Prozessoren nicht nur Zugriff auf 4 GB physischen Speicher. Intel führte bereits in der Pentium Pro-Ära die Physical Address Extension, auch bekannt als PAE-Technologie (Physical Address Extension), ein, die es 32-Bit-x86-Prozessoren ermöglicht, physische 36-Bit-Adressen zu verwenden. Auf diese Weise wird der theoretisch adressierbare physische Speicher von 4 GB auf 64 GB erweitert.
PAE verändert nicht den virtuellen Adressraum der 32-Bit-Anwendung selbst. Für ein gewöhnliches 32-Bit-Programm sieht es immer noch nur einen virtuellen Adressraum von 4 GB, und das Betriebssystem muss für die Verwaltung und Zuordnung zwischen diesem begrenzten virtuellen Adressraum und dem größeren physischen Speicher verantwortlich sein. Mit anderen Worten: PAE löst das Problem, wie das Betriebssystem mehr als 4 GB physischen Speicher verwaltet, anstatt zuzulassen, dass ein einzelnes 32-Bit-Programm plötzlich mehr als 4 GB zusammenhängenden Adressraum erhält.
Microsoft nutzt diese Funktion tatsächlich schon seit langem. Einige Serverversionen von Windows Server 2003 können über PAE weit mehr als 4 GB Speicher nutzen, wobei die Enterprise Edition bis zu 64 GB und die Datacenter Edition sogar bis zu 128 GB unterstützt. Dies beweist, dass „32-Bit-Windows technisch gesehen nur 4 GB nutzen kann“ nicht korrekt ist.
Das eigentliche Problem liegt beim Fahrer.
Wenn PAE aktiviert ist, stellt das System dem Hardwaretreiber möglicherweise physische Adressen außerhalb des 32-Bit-Bereichs zur Verfügung. Für Treiber, die in der herkömmlichen 32-Bit-Umgebung geschrieben sind, führt dies zu einem sehr gefährlichen Problem: Einige Treiber gehen standardmäßig davon aus, dass die physische Adresse niemals 32 Bit überschreitet, sodass sie die höheren Bits der Adresse direkt abschneiden.
Zum Beispiel kann Windows dem Treiber mitteilen, dass ein bestimmtes Datenelement an einen physischen Speicherort außerhalb des 4-GB-Adressbereichs geschrieben werden soll. Wenn der Treiber jedoch versehentlich die hohen Bits verwirft, schreibt er die Daten möglicherweise in einen völlig anderen Speicherbereich. Dies kann nicht nur dazu führen, dass das Programm nicht ordnungsgemäß ausgeführt wird, sondern auch andere Daten überschreiben, was schließlich zu Speicherschäden, Systemabstürzen oder sogar Startfehlern führen kann.
In der früheren technischen Dokumentation von Microsoft wurde außerdem darauf hingewiesen, dass der Treiber nach der Aktivierung von PAE normalerweise einige scheinbar kleine, aber sehr wichtige Änderungen vornehmen muss. Das Problem bestand darin, dass Treiberentwickler sicherstellen mussten, dass ihr Code nicht davon ausging, dass physische Adressen im gleichen Bereich wie virtuelle 32-Bit-Adressen lagen, was damals bei vielen Hardwaretreibern der Fall war.
Dies ist besonders gefährlich auf normalen Verbrauchercomputern. Die Hardwareumgebung des Servers ist normalerweise sehr fest. Systemadministratoren entscheiden sich für bewährte Serverhardware und versuchen, die mit Windows gelieferten Standardtreiber zu verwenden. Normale PCs sind völlig anders. Benutzer können eine Vielzahl von Druckern, Scannern, Soundkarten, TV-Karten, Kameras, Netzwerkkarten und anderen Erweiterungsgeräten installieren. Hinter jedem Gerät können Treiber stehen, die von verschiedenen Herstellern und verschiedenen Generationen geschrieben wurden.
Microsoft konnte nicht garantieren, dass alle diese zahlreichen Treiber von Drittanbietern physische Adressen von mehr als 4 GB korrekt verarbeiten können.
Was noch problematischer ist, ist, dass einige Probleme in einer normalen Speicherumgebung mit weniger als 4 GB nicht auftreten. Ein Treiber funktioniert möglicherweise jahrelang einwandfrei, bis das System ihm eines Tages 4 GB an physischen Adressen übergibt und plötzlich im Code versteckte Fehler auftauchen. Wenn der Treiber diese Adresse abschneidet, kann dies dazu führen, dass Daten an den falschen Speicherort geschrieben werden, was zu zufälligen Abstürzen und Datenbeschädigungen führt, die äußerst schwer zu beheben sind.
Deshalb entschied sich Microsoft schließlich für eine Lösung, die sehr konservativ erschien, aber für normale Verbraucher sicherer war: den physischen Adressraum in der 32-Bit-Windows-Clientversion aktiv zu begrenzen und zu verhindern, dass das System mehr als 4 GB physischen Speicher nutzt.
Windows XP und Windows Server 2003 SP1 sind wichtige Knotenpunkte dieser Richtlinie. Microsoft hat bei beiden die Hardware-Abstraktionsschicht geändert, um den physischen Adressraum in der entsprechenden Client-Version auf 4 GB zu beschränken. Der Zweck besteht nicht darin, dass der Prozessor nicht auf höhere Adressen zugreifen kann, sondern darin, zu verhindern, dass PAE inkompatible Treiber von Drittanbietern offenlegt.
Dies erklärt auch, warum Windows Server mehr als 4 GB Speicher nutzen kann, Windows für normale Benutzer jedoch nicht.
Serveradministratoren schließen normalerweise keinen alten USB-Scanner, der für mehr als zehn Dollar gekauft wurde, an einen Produktionsserver an, geschweige denn, einen Treiber eines Drittanbieters zu installieren, der mehr als zehn Jahre alt ist, um ein gewöhnliches Unterhaltungselektronikgerät zu verwenden. Serverumgebungen werden in der Regel streng überprüft, die verwendete Hardware und Treiber sind fester und Microsoft ist in der Lage, die mit dem System bereitgestellten Treiber vollständig zu testen.
Raymond Chen erklärte diesen Unterschied auf sehr einfache Weise: Serveradministratoren installieren nicht einfach einen Treiber für ein billiges Gerät wie normale Verbraucher, und die auf Servern verwendeten Treiber wurden normalerweise für Umgebungen mit hohen physischen Adressen überprüft.
Normale Benutzer sind genau das Gegenteil. Auf Verbrauchercomputern sind möglicherweise Treiber für Dutzende verschiedener Geräte installiert, von denen einige von Hardware stammen, die mehr als ein Jahrzehnt alt ist. Für Microsoft ist das Risiko, alle diese Treiber PAE-kompatibel zu machen, weitaus größer als der Nachteil einer Speicherbeschränkung.
Selbst wenn 4 GB Speicher in 32-Bit-Windows installiert sind, können Benutzer möglicherweise nicht die vollen 4 GB sehen. Der Grund dafür ist, dass der physische Adressraum unter 4 GB nicht nur für den Systemspeicher verwendet werden darf, sondern auch den Gerätespeicher von Grafikkarten, Netzwerkkarten, Soundkarten und anderer Hardware abbilden muss. Wenn die Hardware einen Teil des Adressraums belegt, muss ein Teil des RAM oberhalb der 4-GB-Adressgrenze zugewiesen werden.
Auf vielen 32-Bit-Windows-Computern mit 4 GB RAM kann es daher vorkommen, dass das System am Ende nur etwa 3 GB oder weniger RAM verwendet. Dies ist auch einer der Hauptgründe dafür, dass auf vielen Windows XP-Computern das Phänomen „4 GB installiert, aber das System kann nur etwa 3 GB nutzen“ auftrat.
Microsoft dementierte auch ausdrücklich eine seit langem bestehende Verschwörungstheorie, wonach Microsoft den Speicher in 32-Bit-Windows absichtlich eingeschränkt habe, um Verbraucher zum Kauf eines teuren Windows Servers zu zwingen. Obwohl Windows Server tatsächlich mehr Speicher nutzen kann, ist Microsoft der Ansicht, dass die Märkte und Hardwareumgebungen für beide völlig unterschiedlich sind und die 4-GB-Beschränkung für die Client-Version hauptsächlich dazu dient, Probleme mit der Treiberkompatibilität zu vermeiden.
Wenn Microsoft außerdem wirklich wollte, dass normale Benutzer Windows Server kaufen, um Speicherbeschränkungen zu lösen, wäre der Preis dieser Lösung offensichtlich lächerlich. Die niedrigste Version von Windows Server 2003, die mehr als 4 GB Speicher unterstützen konnte, war die Enterprise Edition, die bis zu 3.999 US-Dollar kostete und für normale Verbraucher keine praktische Bedeutung hatte.
Mit der allmählichen Verbreitung von 64-Bit-Prozessoren und 64-Bit-Betriebssystemen verlor dieses Thema schließlich seine praktische Bedeutung. 64-Bit-Windows verfügt über weit mehr als 4 GB Adressraum, sodass große Mengen an physischem Speicher genutzt werden können und gleichzeitig die Kompatibilität gewahrt bleibt. Während Computer nach und nach in die Ära des Speichers mit mehreren GB oder sogar mehreren zehn GB oder Hunderten GB eintreten, zieht sich die 32-Bit-Architektur schließlich aus dem Mainstream-Markt zurück.
Microsoft wird die Förderung neuer Systeme mit 32-Bit-Prozessoren ab 2020 schrittweise einstellen und die 32-Bit-Version im Windows 11-Zeitalter schließlich vollständig abschaffen. Im aktuellen offiziellen Support-Dokument von Microsoft heißt es außerdem deutlich, dass Windows 11 und höher nur 64-Bit-Versionen bereitstellen.
Diese Geschichte spiegelt auch ein interessantes Problem wider: Je mehr Hardwareressourcen vorhanden sind, desto leichter kann Software „übergewichtig“ werden. Wenn PCs immer auf 4 GB Speicher beschränkt wären, müssten Softwareentwickler möglicherweise mehr auf die Speichernutzung achten; Und da der Computerspeicher schnell von 4 GB auf 8 GB, 16 GB und sogar 64 GB zunimmt, gewöhnen sich viele Anwendungen allmählich daran, mehr Ressourcen zu verbrauchen.
Heutzutage ist es nicht ungewöhnlich, dass einige Anwendungen leicht Hunderte von MB oder sogar GB Speicher belegen. Microsoft arbeitet nun hart daran, dass Windows 11 auf Computern mit 8 GB Arbeitsspeicher gut läuft, und der enorme Bedarf an Speicherressourcen durch Anwendungen der künstlichen Intelligenz hat die gesamte Branche erneut auf die Bedeutung der Speichereffizienz aufmerksam gemacht.
Obwohl die 4-GB-Beschränkung von 32-Bit-Windows nun endlich Geschichte ist, ist der Grund dafür nicht so einfach wie „32-Bit-Prozessoren können nur 4 GB Speicher verarbeiten.“ Die eigentliche Antwort ist, dass Microsoft mit einem riesigen Ökosystem konfrontiert war, das aus Tausenden von Hardwaretreibern von Drittanbietern unterschiedlicher Qualität bestand. Es ist technisch möglich, 4 GB zu überschreiten, aber wenn der Durchbruch dazu führt, dass eine große Anzahl von Verbrauchercomputern zufällig abstürzt, kann diese Fähigkeit zu einer Belastung für das Betriebssystem des Clients werden.
Aus dieser Perspektive ist die 4-GB-Grenze von Windows nicht einfach ein technischer Engpass, sondern eine technische Entscheidung, die proaktiv aus Stabilitäts- und Kompatibilitätsgründen getroffen wurde. 32-Bit-Windows hatte tatsächlich lange Zeit die Möglichkeit, 4 GB zu durchbrechen. Angesichts des damaligen unkontrollierbaren Treiberökosystems entschied sich Microsoft jedoch schließlich, einige Hardwarefunktionen zu opfern, damit normale Benutzer Computer stabiler nutzen können.
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