Windows内存结构

1  进程的虚拟地址空间布局

1.1 进程虚拟地址空间布局：

每个进程都被赋予它自己的虚拟地址空间。对于3 2位进程来说，这个地址空间是4GB，Win2K在IA-32架构的CPU下面的进程地址空间分布如下表所示：

地址空间说明	地址空间
64K NULL指针分配区	0x00000000~0x0000FFFF  （64K）
用户空间	0x00010000~0x7FFEFFFF  （2G–128K）
64K禁入区	0x7FFF0000~0x7FFFFFFF  （64K）
内核空间	0x80000000~0xFFFFFFFF   (2G)

可见Win2K的内存布局非常简单，主要有4个部分，两个不能被存取的64K；然后剩下的部分就是分别是用户空间（2G–128K）和系统空间(2G)了。

1.2 进程虚拟地址空间布局说明：

1.  64K NULL指针分配区：

这个分区的设置是为了帮助程序员掌握NULL指针的分配情况。如果你的进程中的线程试图读取该分区的地址空间的数据，或者将数据写入该分区的地址空间，那么C P U就会引发一个访问违规。也就是说在Win2K中，NULL的宏定义不必一定是0；可以是64K之内的任何地址；比如在win2K下面定义一个指针变量pVar；令pVar取值在0～65535（64K）之间的时候都会发生存取异常；当令pVar = 65536就没有问题了。

2.  用户空间:

在Windows 2000中，所有的. exe和DLL模块均加载这个分区。每个进程可以将这些D L L加载到该分区的不同地址中（不过这种可能性很小）。系统还可以在这个分区中映射该进程可以访问的所有内存映射文件。

3.  64K禁入区:

64K禁入区的作用很明显是隔离了用户和内核空间；防止用户程序跨越到内核空间中。

4.  内核空间:

这个分区是存放操作系统代码的地方。用于线程调度、内存管理、文件系统支持、网络支持和所有设备驱动程序的代码全部在这个分区加载。驻留在这个分区中的一切均可被所有进程共享。在Windows 2000中，这些组件是完全受到保护的。

2  进程的虚拟地址空间分配

2.1 如何分配地址空间？

当进程被创建并被赋予它的地址空间时，该地址空间的主体是未分配的。若要使用该地址空间的各个部分，必须通过调用VirtualAlloc函数来分配它里边的各个区域。对一个地址空间的区域进行分配的操作称为保留( reserving)。

分配地址空间的两个规则：要确保保留区域从一个分配粒度的边界开始（系统自身保留地址空间时未必遵守这个约定）。x86使用64KB这个分配粒度；还要确保保留区域的大小是系统页面大小的倍数。x86使用的页面大小是4KB。

2.2 如何回收地址空间？

当你的程序不再需要访问已经保留的地址空间区域时，保留区域应该被释放。这个过程称为释放地址空间的区域，它是通过调用VirtualFree函数来完成的。

注意这节说的只是对地址空间的分配，而不是对内存的分配。已经被分配的地址空间没有和内存相对应；这时候对这块空间的读写会发生访问违规。

2.3 地址空间可以和什么相对应呢？

和地址空间相对应的只有两样东西，一个是页面文件，也就是通常所说的虚拟内存，一个是内存映射文件，内存映射文件也是磁盘上的文件，这包括exe，dll等，还包括用户自己创建的内存映射文件。或许你认为和地址空间相对应的应该是ram，不错，当我们真正对一个地址进行读写的时候，确实是对ram进行读写；但是ram只是相当于一个缓冲区；负责对内存映射文件和虚拟内存读写进行缓冲。

3  进程的虚拟地址空间的保护属性

3.1 什么是Copy-On-Write保护属性？

在保留地址空间的同时可以指定其保护属性，这些属性无法就是读，写，执行，及其组合，这里重点说一下两个特殊的保护属性。一个是PAGE_WRITECOPY，另一个是PAGE_EXECUTE_WRITECOPY。这两个属性的作用是为了节省RAM的使用量和页文件的空间。Windows支持一种机制，使得两个或多个进程能够共享单个内存块。但是这要求所有实例都将该内存视为只读或只执行的内存。如果一个实例中的线程将数据写入内存修改它，那么其他实例看到的这个内存也将被修改，从而造成一片混乱。为了防止出现这种混乱，操作系统给共享内存块赋予了Copy-On-Write保护属性。当一个.exe或DLL模块被映射到一个内存地址时，系统将计算有多少页面是可以写的（通常包含代码的页面标为PAGE_EXECUTE_READ，而包含数据的页面则标为PAGE_READWRITE）。然后，系统依照计算结果从页文件中分配内存，以防备对这些可写页面写入时的需要。当然如果不对该模块的可写页面进行实际的写入操作，那么这些页文件内存就不会被使用。

3.2 Copy-On-Write保护是如何实现的？

当一个进程中的线程试图将数据写入一个共享内存块时，系统就会进行干预，并执行下列操作步骤：

1)系统查找RAM中的一个空闲内存页面。

2)系统将试图被修改的页面内容拷贝到第一步中找到的页面。并将其赋予PAGE_READWRITE或PAGE_EXECUTE_READWRITE保护属性。原始页面的保护属性和数据不发生任何变化。

3)然后系统更新进程的页面表，使得被访问的虚拟地址被转换成新的RAM页面。

当系统执行了这3个操作步骤之后，该进程就可以访问它自己的内存页面的私有实例。