19、Windows内存管理
1、虚拟地址
Windows的所有程序（ring0,ring3），可以操作的都是虚拟内存。CPU中寄存器CR0一个位PG位来告诉系统是否分页的。1为允许分页。DDK中宏PAGE_SIZE记录着分页大小，一般为4K，4GB的虚拟内存会被分割成1M个单元。
图 物理内存的映射 P120
2、两种模式
4G虚拟地址中，低2G为用户模式，高2G为内核模式。Windows规定用户态程序只能访问用户模式地址，而内核态程序可以访问整个4G虚拟地址。[1]
进程切换时，所有进程的内核地址映射完全一致，进程切换时改变,只是改变用户模式地址的映射。
图 两种模式 P121
Windwos驱动程序里的不同例程运行在不同的进程中。
打印当前进程的进程名：
void DisplayItsProcessName()
{
PEPROCESS pEProcess = PsGetCurrentProcess();
PTSTR = ProcessName = (PTSTR)((ULONG)pEProcess + 0x174);
KdPrint(("%s\n", ProcessName));
}
3、分页与非分页内存
可以交换到文件中的虚拟内存页面称为分页内存，否则称为非分页内存。当程序的中断请求级大于等于DISPATCH_LEVEL时，程序只能使用非分页内存。
#define PAGEDCODE code_seg("PAGE")
#define LOCKEDCODE code_seg()
#define INITCODE code_seg("INIT")
#define PAGEDDATA data_seg("PAGE")
#define LOCKEDDATA data_seg()
#define INITDATA data_seg("INIT")
将PAGEDCODE 等放在函数前来表现是可否可以分页等情况。PAGED_CODE()是DDK提供的宏，它只在check版本中生效，来检查运行是否低于DISPATCH_LEVEL的中断请求级，如果不低于则产生断言。
4、驱动程序不适合递归调用或者局部变量是大型结构体。如果需要大型结构体，请使用堆。
ExAllocatePool
ExAllocatePoolWithTag
ExAllocatePoolWithQuotaTag
ExAllocatePoolWithQuota
5、链表
双向链表有两个指针，BLINK指向前一个元素，FLINK指向下一个元素。
IsListEmpty
InitializeListHead
typedef struct _LIST_ENTRY {
struct _LIST_ENTRY *Flink;
struct _LIST_ENTRY *Blink;
} LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY;程序员需要自己定义链表中每个元素的数据类型，并将LIST_ENTRY结构作为自定义结构的一个子域。LIST_ENTRY的作用是将自定义的数据结构串与一个链表。
InsertHeadList
图 插入前链表状态
图 插入后
InsertTailList
RemoveHeadList
RemoveTailList
和插入链表有两种方法一样，删除链表也有两种方法，一种是从头部删除，另外一种是尾部删除。
不过有一个问题如下：
PLIST_ENTRY RemoveHeadList(
__inout PLIST_ENTRY ListHead
);
RemoveHeadList returns a pointer to the entry removed from the list. If the list is empty, RemoveHeadList returns ListHead.
也就是说这个函数返回的是一个指针，指向从链表中删除下来的元素中的LIST_ENTRY，那么如何得到用户自定义的数据结构的指针呢？；如果 LIST_ENTRY放在一个结构体的首部，那么返回的这个地址就等于用户自定义的数据结构的指针；而如果LIST_ENTRY不放在结构体的首部呢？这时，我们用地址偏移来实现。一个宏如下定义：
PCHAR CONTAINING_RECORD(
[in] PCHAR Address,
[in] TYPE Type,
[in] PCHAR Field
);
如下实现：
#define CONTAINING_RECORD(address, type, field) ((type *)( \
(PCHAR)(address) - \
(ULONG_PTR)(&((type *)0)->field)))
代码
1
VOID LinkListTest()
2
{
3
LIST_ENTRY linkListHead;
4
//
初始化链表
5
InitializeListHead(
&
linkListHead);
6
PMYDATASTRUCT pData;
7
ULONG i
=
0
;
8
//
在链表中插入10个元素
9
KdPrint((
"
Begin insert to link list
"
));
10
for
(i
=
0
; i
<
10
; i
++
)
11
{
12
pData
=
(PMYDATASTRUCT)
13
ExAllocatePool(PagedPool,
sizeof
(MYDATASTRUCT));
14
pData
->
number
=
i;
15
InsertHeadList(
&
linkListHead,
&
pData
->
ListEntry);
16
}
17
18
//
从链表中取出，并显示
19
KdPrint((
"
Begin remove from link list\n
"
));
20
while
(
!
IsListEmpty(
&
linkListHead))
21
{
22
PLIST_ENTRY pEntry
=
RemoveTailList(
&
linkListHead);
23
pData
=
CONTAINING_RECORD(pEntry,
24
MYDATASTRUCT,
25
ListEntry);
26
KdPrint((
"
%d\n
"
,pData
->
number));
27
ExFreePool(pData);
28
}
29
}
4、Lookaside结构
如果驱动程序频繁地从内存中申请回收固定大小的内存，可以使用Lookaside对象。可以将Lookaside对象想象成一个自动的内存分配容器。避免产生内存空洞。
1）初始化：
ExInitializeNPagedLookasideList
ExInitializePagedLookasideList
2）初始完内存后，可以申请内存了：
ExAllocateFromNPagedLookasideList
ExAllocateFromPagedLookasideList
3）回收内存
ExFreeToNPagedLookasideList
ExFreeToPagedLookasideList
4）删除Lookaside对象
ExDeleteNPagedLookasideList
ExDeletePagedLookasideList
一个例子如下：
代码
1
VOID LookasideTest()
2
{
3
//
初始化Lookaside对象
4
PAGED_LOOKASIDE_LIST pageList;
5
ExInitializePagedLookasideList(
&
pageList,NULL,NULL,
0
,
sizeof
(MYDATASTRUCT),
'
1234
'
,
0
);
6
#define
ARRAY_NUMBER 50
7
PMYDATASTRUCT MyObjectArray[ARRAY_NUMBER];
8
//
模拟频繁申请内存
9
for
(
int
i
=
0
;i
<
ARRAY_NUMBER;i
++
)
10
{
11
MyObjectArray[i]
=
(PMYDATASTRUCT)ExAllocateFromPagedLookasideList(
&
pageList);
12
}
13
//
模拟频繁回收内存
14
for
(i
=
0
;i
<
ARRAY_NUMBER;i
++
)
15
{
16
ExFreeToPagedLookasideList(
&
pageList,MyObjectArray[i]);
17
MyObjectArray[i]
=
NULL;
18
}
19
ExDeletePagedLookasideList(
&
pageList);
20
//
删除Lookaside对象
21
}
5、运行时函数
由编译器提供，不同操作系统实现不同，但是接口一样，如malloc。
1）内存间复制（非重叠）
RtlCopyMemory
2）可重叠复制
RtlMoveMemory
3）填充内存
RtlFillMemory
RtlZeroMemory
3）内存比较
RtlCompareMemory
DDK提供的运行时函数都是RtlXX形式。
6、使用C++特性分配内存
不能直接使用new和delete。因为MS编译器没有提供内核模式下的new操作符，我们可以对其进行重载来使用。
重载有两种方法，一种是类中重载，一种全局重载。
代码
1
//
全局new操作符
2
void
*
__cdecl
operator
new
(size_t size,POOL_TYPE PoolType
=
PagedPool)
3
{
4
KdPrint((
"
global operator new\n
"
));
5
KdPrint((
"
Allocate size :%d\n
"
,size));
6
return
ExAllocatePool(PagedPool,size);
7
}
8
//
全局delete操作符
9
void
__cdecl
operator
delete(
void
*
pointer)
10
{
11
KdPrint((
"
Global delete operator\n
"
));
12
ExFreePool(pointer);
13
}
14
15
class
TestClass
16
{
17
public
:
18
//
构造函数
19
TestClass()
20
{
21
KdPrint((
"
TestClass::TestClass()\n
"
));
22
}
23
24
//
析构函数
25
~
TestClass()
26
{
27
KdPrint((
"
TestClass::~TestClass()\n
"
));
28
}
29
30
//
类中的new操作符
31
void
*
operator
new
(size_t size,POOL_TYPE PoolType
=
PagedPool)
32
{
33
KdPrint((
"
TestClass::new\n
"
));
34
KdPrint((
"
Allocate size :%d\n
"
,size));
35
return
ExAllocatePool(PoolType,size);
36
}
37
38
//
类中的delete操作符
39
void
operator
delete(
void
*
pointer)
40
{
41
KdPrint((
"
TestClass::delete\n
"
));
42
ExFreePool(pointer);
43
}
44
private
:
45
char
buffer[
1024
];
46
};
47
49
void
TestNewOperator()
50
{
51
TestClass
*
pTestClass
=
new
TestClass;
52
delete pTestClass;
53
54
pTestClass
=
new
(NonPagedPool) TestClass;
55
delete pTestClass;
56
57
char
*
pBuffer
=
new
(PagedPool)
char
[
100
];
58
delete []pBuffer;
59
60
pBuffer
=
new
(NonPagedPool)
char
[
100
];
61
delete []pBuffer;
62
}
7、其它
1）NTSTATUS含义
图 NTSTATUS含义 P141
2）检查内存可用性
ProbeForRead
ProbeForWrite
如果不满足条件时将是引发异常。用异常处理机制进行捕获。
3）结构化异常处理
异常概念类似于中断
A）try-except块
try-except-statement :
__try
{
compound-statement
}
__except ( expression )
{
compound-statement
}
EXCEPTION_CONTINUE_EXECUTION
EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH
EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER
例子如下：
代码
1
#pragma
INITCODE
2
VOID ProbeTest()
3
{
4
PVOID badPointer
=
NULL;
5
KdPrint((
"
Enter ProbeTest\n
"
));
6
__try
7
{
8
KdPrint((
"
Enter __try block\n
"
));
9
//
判断空指针是否可读，显然会导致异常
10
ProbeForWrite(badPointer,
100
,
4
);
11
//
由于在上面引发异常，所以以后语句不会被执行!
12
KdPrint((
"
Leave __try block\n
"
));
13
}
14
15
__except(EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER)
16
{
17
KdPrint((
"
Catch the exception\n
"
));
18
KdPrint((
"
The program will keep going\n
"
));
19
}
20
//
该语句会被执行
21
KdPrint((
"
Leave ProbeTest\n
"
));
22
}
其它引发异常函数：
ExRaiseAccessViolation
ExRaiseDatatypeMisalignment
ExRaiseStatus
B）try-finally 块
try-finally-statement :
__try compound-statement
__finally compound-statement
强迫函数有退出前执行一段代码。常用来一些资源的回收工作。
代码
1
#pragma
INITCODE
2
NTSTATUS TryFinallyTest()
3
{
4
NTSTATUS status
=
STATUS_SUCCESS;
5
__try
6
{
7
//
做一些事情
8
return
STATUS_SUCCESS;
9
}
10
__finally
11
{
12
KdPrint((
"
Enter finallly block\n
"
));
13
return
status;
14
}
15
}
4）防止“侧效”错误（也就是多行宏在if等语句中表达的意思出现了不同），在if,while,for等语句中，无论是否只有一句话，都不能省略{}。
ASSERT断言
参考：
【１】 windows驱动开发详解