windows内存管理

windows内存管理
2010年07月05日
　　32位平台下，CPU的寻址能力为4GB，PC中有些设备(如显卡)都提供自己的设备内存，这部分内存会映射到PC的物理内存上，也就是读写这段物理内存地址，其实是在读写设备内存地址，而不会读写物理内存地址。虽然提供了4GB的寻址能力，但是实际可能没有这么大的物理内存，这样就引入了虚拟内存。Windows的所有程序(包括Ring3和Ring0的程序)实际操作的都是虚拟内存。对虚拟内存的操作，最终都会变成对实际物理内存的操作。由于Windwos是个多任务操作系统，到此，我们碰到了几个问题：一是，虚拟内存和真实的物理内存如何对应转换？二是，同时运行的进程如何实现自己内存空间的保护，同时在必要是也能共享部分内存？三是，因为虚拟内存实际是使用了磁盘，那需要有个算法在内存中来调入调出。我们来一一解释上面的疑问。
　　在CPU中有个CR0的寄存器，这个32位的寄存器中的一个位(PG位)是负责告诉系统是否分页。Windwos在启动前将此位置1，即Windows允许分页。DDK中有个PAGE_SIZE宏记录分页的大小，一般为4KB。这样，虚拟内存会被分割成1M个分页单元。其中部分单元会和物理内存对应起来。如虚拟内存中的第N个分页单元对应着物理内存第M个分页单元。这是多对一的映射，多个虚拟内存页可以映射同一个物理内存页。还有一部分单元会以文件的形式映射到磁盘上，并标记位脏(dirty)。读取这段虚拟内存时，系统会发出异常，触发异常处理函数，异常处理函数将这个页的磁盘文件读入内存，并将其标记位不脏。还有一部分的单元什么也不对应，即空的。有些物理既映射到进程1，也映射到进程2，这样修改进程2的那段虚拟内存也就修改了进程1上的那段虚拟内存，这种方法达到了进程间的内存共享。
　　虚拟地址在0～0X7FFFFFFF范围内的虚拟内存，即低2GB的虚拟地址，是用户模式地址，用户态(Ring3)程序只能访问这段地址。而0X80000000~0XFFFFFFFF范围的虚拟地址，即高2GB的虚拟地址，是内核模式地址。运行在内核态(Ring0)的程序能访问整个4GB的地址空间。Windows的核心代码和Windows的驱动程序加载的位置都在高2GB的内核地址中。同时，Windows操作系统在进行进程切换时，保持内核模式地址是完全相同的，只改变用户模式地址的映射。
　　驱动程序可以看成是一个特殊的DLL文件被应用程序加载到虚拟内存中，只不过加载地址是内核模式地址，而不是用户模式地址。它能访问的只是这个进程的虚拟内存，而不能是其他进程的虚拟地址空间。Windows驱动程序里的不同例程运行在不同的进程中。DriverEntry例程和AddDevice例程是运行在系统(System)进程中的。而其他一些例程，如IRP_MJ_READ等派遣函数会运行在某个进程环境中，所能访问的虚拟地址是这个进程的虚拟地址。