32位程序使用超过4G的内存 实例

   最近在做个程序，虽然是小型程序,但是使用的内存量却很大，动辄达到10G。在64位系统上可以轻松实现，无奈我是基于32位的系统进行开发，程序还没跑起来就已经被终止了。  
    试过很多办法，包括文件内存映射等，效率不高，而且由于32位应用程序的限制，可用的内存地址最高只能到0x7FFFFFFF，能调用的内存到2G就是极限了。最后好不容易找到了AWE（Address Windowing Extensions）。 
    AWE是Windows的内存管理功能的一组扩展，它允许应用程序获取物理内存，然后将非分页内存的视图动态映射到32位地址空间。虽然32位地址空间限制为4GB，但是非分页内存却可以远远大于4GB。这使需要大量内存的应用程序（如大型数据库系统）能使用的内存量远远大于32位地址空间所支持的内存量。 
    与AWE有关的函数在后面介绍。 
    为了使用大容量内存，除了要用到AWE外，还有一样东西不能少，那就是PAE（Physical Address Extension）。PAE是基于x86的服务器的一种功能，它使运行Windows Server 2003，Enterprise Edition 和Windows Server 2003，Datacenter Edition 的计算机可以支持 4 GB 以上物理内存。物理地址扩展(PAE)允许将最多64 GB的物理内存用作常规的4 KB页面，并扩展内核能使用的位数以将物理内存地址从 32扩展到36。 
    一般情况下，windows系统的PAE没有生效，只有开启了PAE后windows系统才可以识别出4G以上的内存。在使用boot.int的系统中，要启动PAE必须在boot.ini中加入/PAE选项。在Windows Vista和Windows7中则必须修改内核文件，同时设置BCD启动项。针对Vista系统和Win7系统可以使用Ready For 4GB这个软件直接完成这一操作，具体方法见Ready For 4GB的软件说明。以下就是一个开启了/PAE选项的boot.ini文件示例：

[xhtml]  view plain copy

1. [boot loader]  
2. timeout=30  
3. default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS  
4. [operating systems]  
5. multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS="Windows Server 2003, Enterprise" /fastdetect /PAE  

    本文将以Windows 7旗舰版为例介绍如何在打开PAE的情况下使用AWE在程序中达到使用2G以上内存的目的。下图分别为开启PAE和未开启PAE时系统识别出的内存容量区别。 

 

图一.开启PAE
 

 

 

图二.关闭PAE

    如果没有打开PAE，系统只能认出3G的内存，最多可以再多0.5G不到，这样即使使用AWE，由于系统和其他应用程序已经占去了一部分内存，剩下的内存或许也只有2G多一点了，没什么太大提高。只有当系统认出了4G以上的内存，AWE才能发挥它真正的作用。

    下面我们看看windows中给出的有关AWE的API函数，它们都定义在winbase.h中。

 

[cpp]  view plain copy

1. #if (_WIN32_WINNT >= 0x0500)  
2. //  
3. // Very Large Memory API Subset  
4. //  
5.   
6. WINBASEAPI  
7. BOOL  
8. WINAPI  
9. AllocateUserPhysicalPages(  
10.     __in    HANDLE hProcess,  
11.     __inout PULONG_PTR NumberOfPages,  
12.     __out_ecount_part(*NumberOfPages, *NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray  
13.     );  
14.   
15. WINBASEAPI  
16. BOOL  
17. WINAPI  
18. FreeUserPhysicalPages(  
19.     __in    HANDLE hProcess,  
20.     __inout PULONG_PTR NumberOfPages,  
21.     __in_ecount(*NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray  
22.     );  
23.   
24. WINBASEAPI  
25. BOOL  
26. WINAPI  
27. MapUserPhysicalPages(  
28.     __in PVOID VirtualAddress,  
29.     __in ULONG_PTR NumberOfPages,  
30.     __in_ecount_opt(NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray  
31.     );  
32. //...  
33. #endif  

 

    从winbase.h中的定义可以看出，只有当你的系统版本大于或等于0x0500时，才能够使用AWE。各个版本的_WIN32_WINNT值见下表，Windows 2000以下的版本不能使用AWE。

Minimum system required	Minimum value for _WIN32_WINNT andWINVER
Windows 7	0x0601
Windows Server 2008	0x0600
Windows Vista	0x0600
Windows Server 2003 with SP1, Windows XP with SP2	0x0502
Windows Server 2003, Windows XP	0x0501
Windows 2000	0x0500

    如果你的系统版本符合要求，但是编译器在编译加入了AWE API的代码出错，可以在程序头文件中加入下面的代码。

[cpp]  view plain copy

1. #ifndef _WIN32_WINNT  
2. #define _WIN32_WINNT 0x0501  
3. #endif    

 

    下面简要介绍一下每个API的功能。

 

[cpp]  view plain copy

1. BOOL WINAPI AllocateUserPhysicalPages(  //分配物理内存页,用于后面AWE的内存映射  
2.   __in     HANDLE hProcess,     //指定可以使用此函数分配的内存页的进程  
3.   __inout  PULONG_PTR NumberOfPages,    //分配的内存页数,页的大小由系统决定  
4.   __out    PULONG_PTR UserPfnArray  //指向存储分配内存页帧成员的数组的指针  
5. );  
6.   
7. BOOL WINAPI FreeUserPhysicalPages(  //释放AllocateUserPhysicalPages函数分配的内存  
8.   __in     HANDLE hProcess,     //释放此进程虚拟地址空间中的分配的内存页  
9.   __inout  PULONG_PTR NumberOfPages,    //要释放的内存页数  
10.   __in     PULONG_PTR UserPfnArray  //指向存储内存页帧成员的数组的指针  
11. );  
12.   
13. BOOL WINAPI MapUserPhysicalPages(   //将分配好的内存页映射到指定的地址  
14.   __in  PVOID lpAddress,        //指向要重映射的内存区域的指针  
15.   __in  ULONG_PTR NumberOfPages,    //要映射的内存页数  
16.   __in  PULONG_PTR UserPfnArray     //指向要映射的内存页的指针  
17. );  

 

    在看实例程序前还有一些设置需要做，需要对系统的本地安全策略进行设置。在win7中，打开“控制面板->系统和安全->管理工具->本地安全策略”，给“锁定内存页”添加当前用户，然后退出，重启（不重启一般无法生效！）。

 

 

    经过前面的准备（再啰嗦一次：确认自己的电脑装有4G或4G以上的内存；开启PAE，使系统认出4G或以上的内存；设置好本地安全策略），我们就可以通过下面的代码来做个实验了。

 

    代码是从MSDN中AWE的一个Example修改而来的，具体流程见代码中的注释，如果对该Example的源代码有兴趣可以参考MSDN。

 

[cpp]  view plain copy

1. #include "AWE_TEST.h"  
2. #include   
3. #include   
4.   
5. #define MEMORY_REQUESTED ((2*1024+512)*1024*1024) //申请2.5G内存,测试机上只有4G内存,而且系统是window7,比较占内存.申请3G容易失败.  
6. #define MEMORY_VIRTUAL 1024*1024*512        //申请长度0.5G的虚拟内存,即AWE窗口.  
7.   
8. //检测"锁定内存页"权限的函数  
9. BOOL LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess, BOOL bEnable);  
10.   
11. void _cdecl main()  
12. {  
13.     BOOL bResult;                   // 通用bool变量  
14.     ULONG_PTR NumberOfPages;        // 申请的内存页数  
15.     ULONG_PTR NumberOfPagesInitial; // 初始的要申请的内存页数  
16.     ULONG_PTR *aPFNs;               // 页信息,存储获取的内存页成员  
17.     PVOID lpMemReserved;            // AWE窗口  
18.     SYSTEM_INFO sSysInfo;           // 系统信息  
19.     INT PFNArraySize;               // PFN队列所占的内存长度  
20.   
21.     GetSystemInfo(&sSysInfo);  // 获取系统信息  
22.   
23.     printf("This computer has page size %d./n", sSysInfo.dwPageSize);  
24.   
25.     //计算要申请的内存页数.  
26.   
27.     NumberOfPages = MEMORY_REQUESTED/sSysInfo.dwPageSize;  
28.     printf ("Requesting %d pages of memory./n", NumberOfPages);  
29.   
30.     // 计算PFN队列所占的内存长度  
31.   
32.     PFNArraySize = NumberOfPages * sizeof (ULONG_PTR);  
33.   
34.     printf ("Requesting a PFN array of %d bytes./n", PFNArraySize);  
35.   
36.     aPFNs = (ULONG_PTR *) HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, PFNArraySize);  
37.   
38.     if (aPFNs == NULL)   
39.     {  
40.         printf ("Failed to allocate on heap./n");  
41.         return;  
42.     }  
43.   
44.     // 开启"锁定内存页"权限  
45.   
46.     if( ! LoggedSetLockPagesPrivilege( GetCurrentProcess(), TRUE ) )   
47.     {  
48.         return;  
49.     }  
50.   
51.     // 分配物理内存,长度2.5GB  
52.   
53.     NumberOfPagesInitial = NumberOfPages;  
54.     bResult = AllocateUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),  
55.         &NumberOfPages,  
56.         aPFNs );  
57.   
58.     if( bResult != TRUE )   
59.     {  
60.         printf("Cannot allocate physical pages (%u)/n", GetLastError() );  
61.         return;  
62.     }  
63.   
64.     if( NumberOfPagesInitial != NumberOfPages )   
65.     {  
66.         printf("Allocated only %p pages./n", NumberOfPages );  
67.         return;  
68.     }  
69.   
70.     // 保留长度0.5GB的虚拟内存块(这个内存块即AWE窗口)的地址  
71.   
72.     lpMemReserved = VirtualAlloc( NULL,  
73.         MEMORY_VIRTUAL,  
74.         MEM_RESERVE | MEM_PHYSICAL,  
75.         PAGE_READWRITE );  
76.   
77.     if( lpMemReserved == NULL )   
78.     {  
79.         printf("Cannot reserve memory./n");  
80.         return;  
81.     }  
82.   
83.     char *strTemp;  
84.     for (int i=0;i<5;i++)  
85.     {  
86.         // 把物理内存映射到窗口中来  
87.         // 分5次映射,每次映射0.5G物理内存到窗口中来.  
88.         // 注意,在整个过程中,lpMenReserved的值都是不变的  
89.         // 但是映射的实际物理内存却是不同的  
90.         // 这段代码将申请的2.5G物理内存分5段依次映射到窗口中来  
91.         // 并在每段的开头写入一串字符串.  
92.   
93.         bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,  
94.             NumberOfPages/5,  
95.             aPFNs+NumberOfPages/5*i);  
96.   
97.         if( bResult != TRUE )   
98.         {  
99.             printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );  
100.             return;  
101.         }  
102.   
103.         // 写入字符串,虽然是写入同一个虚存地址,  
104.         // 但是窗口映射的实际内存不同,所以是写入了不同的内存块中  
105.         strTemp=(char*)lpMemReserved;  
106.         sprintf(strTemp,"This is the %dth section!",i+1);  
107.   
108.         // 解除映射  
109.   
110.         bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,  
111.             NumberOfPages/5,  
112.             NULL );  
113.   
114.         if( bResult != TRUE )   
115.         {  
116.             printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );  
117.             return;  
118.         }  
119.     }  
120.   
121.     // 现在再从5段内存中读出刚才写入的字符串  
122.     for (int i=0;i<5;i++)  
123.     {  
124.         // 把物理内存映射到窗口中来  
125.   
126.         bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,  
127.             NumberOfPages/5,  
128.             aPFNs+NumberOfPages/5*i);  
129.   
130.         if( bResult != TRUE )   
131.         {  
132.             printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );  
133.             return;  
134.         }  
135.   
136.         // 将映射到窗口中的不同内存块的字符串在屏幕中打印出来  
137.         strTemp=(char*)lpMemReserved;  
138.         printf("%s/n",strTemp);  
139.   
140.         // 解除映射  
141.   
142.         bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,  
143.             NumberOfPages/5,  
144.             NULL );  
145.   
146.         if( bResult != TRUE )   
147.         {  
148.             printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );  
149.             return;  
150.         }  
151.     }  
152.       
153.   
154.     // 释放物理内存空间  
155.   
156.     bResult = FreeUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),  
157.         &NumberOfPages,  
158.         aPFNs );  
159.   
160.     if( bResult != TRUE )   
161.     {  
162.         printf("Cannot free physical pages, error %u./n", GetLastError());  
163.         return;  
164.     }  
165.   
166.     // 释放虚拟内存地址  
167.   
168.     bResult = VirtualFree( lpMemReserved,  
169.         0,  
170.         MEM_RELEASE );  
171.   
172.     // 释放PFN队列空间  
173.   
174.     bResult = HeapFree(GetProcessHeap(), 0, aPFNs);  
175.   
176.     if( bResult != TRUE )  
177.     {  
178.         printf("Call to HeapFree has failed (%u)/n", GetLastError() );  
179.     }  
180.   
181. }  
182.   
183. /***************************************************************** 
184.  
185. 输入: 
186.  
187. HANDLE hProcess: 需要获得权限的进程的句柄 
188.  
189. BOOL bEnable: 启用权限 (TRUE) 或 取消权限 (FALSE)? 
190.  
191. 返回值: TRUE 表示权限操作成功, FALSE 失败. 
192.  
193. *****************************************************************/  
194. BOOL  
195. LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess,  
196.                              BOOL bEnable)  
197. {  
198.     struct {  
199.         DWORD Count;  
200.         LUID_AND_ATTRIBUTES Privilege [1];  
201.     } Info;  
202.   
203.     HANDLE Token;  
204.     BOOL Result;  
205.   
206.     // 打开进程的安全信息  
207.   
208.     Result = OpenProcessToken ( hProcess,  
209.         TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES,  
210.         & Token);  
211.   
212.     if( Result != TRUE )   
213.     {  
214.         printf( "Cannot open process token./n" );  
215.         return FALSE;  
216.     }  
217.   
218.     // 开启 或 取消?  
219.   
220.     Info.Count = 1;  
221.     if( bEnable )   
222.     {  
223.         Info.Privilege[0].Attributes = SE_PRIVILEGE_ENABLED;  
224.     }   
225.     else   
226.     {  
227.         Info.Privilege[0].Attributes = 0;  
228.     }  
229.   
230.     // 获得LUID  
231.   
232.     Result = LookupPrivilegeValue ( NULL,  
233.         SE_LOCK_MEMORY_NAME,  
234.         &(Info.Privilege[0].Luid));  
235.   
236.     if( Result != TRUE )   
237.     {  
238.         printf( "Cannot get privilege for %s./n", SE_LOCK_MEMORY_NAME );  
239.         return FALSE;  
240.     }  
241.   
242.     // 修改权限  
243.   
244.     Result = AdjustTokenPrivileges ( Token, FALSE,  
245.         (PTOKEN_PRIVILEGES) &Info,  
246.         0, NULL, NULL);  
247.   
248.     // 检查修改结果  
249.   
250.     if( Result != TRUE )   
251.     {  
252.         printf ("Cannot adjust token privileges (%u)/n", GetLastError() );  
253.         return FALSE;  
254.     }   
255.     else   
256.     {  
257.         if( GetLastError() != ERROR_SUCCESS )   
258.         {  
259.             printf ("Cannot enable the SE_LOCK_MEMORY_NAME privilege; ");  
260.             printf ("please check the local policy./n");  
261.             return FALSE;  
262.         }  
263.     }  
264.   
265.     CloseHandle( Token );  
266.   
267.     return TRUE;  
268. }  

 

程序运行结果如下：

 

    可以看出系统分页的大小为4K，总共申请了655360个分页，也就是2.5G。每个分页成员占4字节，总共2621440字节。2.5G内存分成5段512M的块，成功写入了字符串并成功读取。

 

    在调试过程中，在执行了AllocateUserPhysicalPages函数后设置断点，查看任务管理器，可以看出成功分配了物理内存后，实际物理内存被占用了2.5G，从而验证了AWE的效果。

 

 

    通过上述示例，我们成功的在32位系统中识别出了4G的内存，并且在32位程序中成功使用了超过2G的内存。借助PAE和AWE，即使在32位系统上，我们也能够顺利开发对内存消耗较大的应用程序，而不需要依赖于64位平台