11 Windows API 記憶體管理(1)

2022-02-12 13:52:25 字數 2197 閱讀 6673

一、相關概念

1、記憶體主要儲存程式執行時所需的機器**、資料等內容。

記憶體的最小儲存單元是位元組,記憶體中的每乙個位元組都有乙個位址。在32位系統上,使用32位的數來表示記憶體位址,因此一共可以表示2

32(4294967296-4g)個位元組。

2、位址

(1)位址空間。

系統中所有可用的記憶體位址的集合稱為位址空間。比如,如果可以使用4gb的記憶體,那麼其位址空間就是0x00000000~0xffffffff。

(2)物理記憶體。

硬體系統中真實存在的儲存空間稱為物理記憶體,物理記憶體的訪問通過硬體系統匯流排進行的。

但不是每台32位的機器都具有4gb的實體地址空間,因此實體地址空間不一定是0x00000000~0xffffffff,比如在物理記憶體為1gb的系統上,就可能只有0x00000000~0x3fffffff的位址可以使用。

(3)虛擬位址空間。

為了訪問記憶體的統一和方便,作業系統允許其上執行的程式訪問所有的4gb記憶體空間中的位址。因此作業系統必須進行一些必要的位址轉換工作,將程式訪問的位址轉換為物理記憶體中的真實實體地址,然後進行資料的訪問。作業系統進行轉換後,供程式使用的位址空間稱為虛擬位址空間。在32位系統上,可以使用的虛擬位址空間大小是4gb。

當然,由於虛擬位址空間可能比真實實體地址空間大,系統會將部分虛擬位址空間中的位址轉換為硬碟中的資料,在必要時將物理記憶體中的資料與硬碟中的資料進行交換。

這種位址轉換和資料交換是通過分頁和分段機制實現的

。(4)程序的記憶體空間:使用者記憶體空間與核心記憶體空間。

windows作業系統中的每個程序都有屬於自己的虛擬位址空間。32位的window作業系統將4gb(在64位系統上,這個值達到了8tb)的虛擬記憶體劃分為兩個部分,程序使用2gb,稱為使用者程序空間;核心使用2gb,稱為系統位址空間或核心位址空間(也可設定為使用者程序空間使用3gb,核心使用1gb,這裡只討論各為2gb的情況),使用者空間的位址範圍為

0x00000000~0

x7fffffff,核心空間的位址範圍為

0x80000000~

0xffffffff。虛擬位址空間在程序上是封閉的,程序只能訪問屬於自己的位址空間,如果要訪問其他程序的位址空間需特殊的機制。

3、分頁與分段記憶體管理、記憶體對映與位址轉換

32位位址的高10位稱為頁目錄索引(directory)、次10位稱為頁表索引(table),餘下的12位為偏移(offset)。如果只取前兩個部分的20位,末位補0,那麼其可能指向的位址都是4kb( 212)對齊的,也就是頁的基位址。所以32位中的前20位定位了頁的基位址(pfn),而最後12位是位址在頁內的偏移。

相當於先選定那本書,再選定那本書的頁數,再選中頁中的那行。

在位址轉換的過程中,還涉及乙個關鍵的系統暫存器cr3。cr3暫存器中的高12~32位儲存了頁目錄索引在物理記憶體中的位址。

位址轉換經過了如下過程。

(1)從cr3暫存器的12~32位中取出位址,末位補0,構成乙個32位的位址,此位址是頁目錄所在物理記憶體的基位址(因此頁目錄在記憶體中肯定是4kb對齊的)。

(2)以線性位址中的高10位的頁目錄索引(directory)中資料為偏移,加上上一步得到的頁目錄所在物理記憶體的基位址,在頁目錄中找到相應的頁目錄項(pde)。

(3)頁目錄項中包括了頁表的基位址,線性位址中的頁表索引(table)是頁表中的偏移,找到頁表項(pte)。

(4)頁表項(pte)中儲存的是實體地址空間中的頁面的位址(pfn),如果pfn指向的頁面是無效的(不在物理記憶體中),那麼會在系統核心中引起頁錯誤,系統核心會進行頁面排程,將物理記憶體中暫不使用的頁面交換到硬碟中,將硬碟中需要訪問的頁面交換到物理記憶體中,使用pfn指向的頁是有效的。

(5)現在已經找到了線性位址所對應的實體地址所在的頁的基址。

(6)在物理頁位址的基礎上,加上線性位址末12位的偏移,可得到線性位址與實體地址的對應。

從中可以看出位址轉換是以頁為單位的,也就是線性位址與所對應的實體地址的頁基位址(pfn)是會變化的,在頁內的偏移位址是不會發生變化的。

每乙個頁目錄項對應了乙個頁表,一共有2

10個頁目錄。每乙個頁表項對應了乙個記憶體分頁,每個頁表是最多可以表示2

10個頁表。最多一共是多有2

20個頁。

11 Windows API 記憶體管理(1)

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