[Windows驱动开发]（四）内存管理

 

一、内存管理概念

1. 物理内存概念（Physical Memory Address）

    PC上有三条总线，分别是数据总线、地址总线和控制总线。32位CPU的寻址能力为4GB（2的32次方）个字节。用户最多可以使用4GB的真实物理内存。PC中很多设备都提供了自己的设备内存。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地址，其实读写的是设备内存地址，而不是物理内存地址。

 

2. 虚拟内存概念

    虽然可以寻址4GB的内存，但是PC中往往没有如此多的真实物理内存。操作系统和硬件（主要是CPU中的内存管理单元MMU）为使用者提供了虚拟内存的概念。Windows的所有程序可以操作的都是虚拟内存。对虚拟内存的所有操作最终都会被转换成对真实物理内存的操作。

    CPU中有一个重要的寄存器CR0，它是一个32位寄存器，其中的PG位负责标记是否分页。Windows在启动前会将它设置为1，即允许分页。WDK中有一个宏PAGE_SIZE记录分页大小，一般为4KB。4GB的虚拟内存会被分割成1M个分页单元。

    其中，有一部分单元会和物理内存对应起来，即虚拟内存中第N个分页单元对应着物理内存的第M个分页单元。这种对应不是一一对应，而是多对一的映射，多个虚拟内存页可以映射同一个物理内存页。还有一部分单元会被映射成磁盘上的一个文件，并被标记为“脏的（Dirty）”。读取这段虚拟内存的时候，系统会发出一个异常，此时会触发异常处理函数，异常处理函数会将这个页的磁盘文件读入内存，并将其标记设置为“不脏”。让经常不读写的内存页交换（Swap）成文件，并将此页设置为“脏”。还有一部分单元什么也没有对应，为空。

    Windows如此设计是因为以下两种原因：

        a. 虚拟的增加了内存的大小。

        b. 使不同进程的虚拟内存互不干扰。

 

3. 用户态地址和内核态地址

    虚拟地址在0~0x7fffffff范围内的虚拟内存，即低2GB的虚拟地址，被称为用户态地址。而0x80000000~0xffffffff范围内的虚拟内存，即高2GB的虚拟内存，被称为内核态地址。Windows规定运行在用户态（Ring3层）的程序只能访问用户态地址，而运行在内核态（Ring0层）的程序可以访问整个4GB的虚拟内存。

    Windows的核心代码和Windows的驱动程序加载的位置都是在高2GB的内核地址中。Windows操作系统在进程切换时，保持内核态地址是完全相同的，即所有进程的内核地址映射完全一致，进程切换时只改变用户模式地址的映射。

 

4. Windows驱动程序和进程的关系

    驱动程序类似于一个DLL，被应用程序加载到虚拟内存中，只不过加载地址是内核地址。它能访问的只是这个进程的虚拟内存，不能访问其他进程的虚拟地址。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。这个进程是Windows第一个运行的进程。当需要加载的时候，这个进程中会有一个线程将驱动程序加载到内核模式地址空间内，并调用DriverEntry例程。

    其他的例程，如IRP的派遣函数会运行于应用程序的“上下文”中。“上下文”是指运行于某个进程的环境中，所能访问的虚拟地址是这个进程的虚拟地址。

    在内核态通过调用PsGetCurrentProcess()函数得到当前IO活动的进程，它是EPROCESS的结构体，其中包含了进程的相关信息。由于微软没有公开EPROCESS结构体，所以不同的系统需要使用Windbg查看其具体的值。在Win XP SP2中这个结构的0x174偏移处记录了一个字符串指针，表示的是进程的映像名称。

 

5. 分页与非分页内存

    Windows规定有些虚拟内存页面是可以交换到文件中的，这类内存被称为分页内存。而有些虚拟内存页永远也不会交换到文件中，这些内存被称为非分页内存。

    当程序的中断请求级在DISPATCH_LEVEL之上时（包括DISPATCH_LEVEL层），程序只能使用非分页内存，否则将导致系统蓝屏死机。

    在编译WDK提供的例程时，可以指定某个例程和某个全局变量是载入分页内存还是非分页内存，需要做如下定义：

 

//

#define PAGEDCODE code_seg("PAGE")
#define LOCKEDCODE code_seg()
#define INITCODE code_seg("INIT")

#define PAGEDDATA code_seg("PAGE")
#define LOCKEDDATA code_seg()
#define INITDATA code_seg("INIT")

//

 

    如果将某个函数载入到分页内存中，我们需要在函数的实现中加入如下代码：

 

//

#pragma PAGEDCODE
VOID SomeFunction()
{
    PAGED_CODE();
    // Do any other things ....
}

//

 

    其中，PAGED_CODE()是WDK提供的宏，只在check版本中生效。他会检测这个函数是否运行低于DISPATCH_LEVEL的中断请求级，如果等于或高于这个中断请求级，将产生一个断言。

    如果让函数加载到非分页内存中，需要在函数的实现中加入如下代码：

 

//

#pragma LOCKEDCODE
VOID SomeFunction()
{
    // Do any other things ....
}

//

 

    还有一些特殊的情况，当某个例程在初始化的时候载入内存，然后就可以从内存中卸载掉。这种情况特指在调用DriverEntry的时候。尤其是NT式驱动，它会很长，占用很大的空间，为了节省内存，需要及时的从内存中卸载掉。代码如下：

 

//

#pragma INITCODE
extern "C" NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject, IN PUNICODE_STRING pRegistryPath)
{
    // Do any other things ....
}

//

 

6. 分配内核内存

    Windows驱动程序使用的内存资源非常珍贵，分配内存时要尽量节约。和应用程序一样，局部变量是存放在栈（Stack）空间中的。但是栈空间不会像应用程序那么大，所以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，需要在堆（Heap）中申请。

    堆中申请内存的函数有以下几个：

 

//

NTKERNELAPI
PVOID
ExAllocatePool(
    __drv_strictTypeMatch(__drv_typeExpr) __in POOL_TYPE PoolType,
    __in SIZE_T NumberOfBytes
    );

NTKERNELAPI
PVOID
NTAPI
ExAllocatePoolWithTag(
    __in __drv_strictTypeMatch(__drv_typeExpr) POOL_TYPE PoolType,
    __in SIZE_T NumberOfBytes,
    __in ULONG Tag
    );

NTKERNELAPI
PVOID
ExAllocatePoolWithQuota(
    __drv_strictTypeMatch(__drv_typeExpr) __in POOL_TYPE PoolType,
    __in SIZE_T NumberOfBytes
    );

NTKERNELAPI
PVOID
ExAllocatePoolWithQuotaTag(
    __in __drv_strictTypeMatch(__drv_typeExpr) POOL_TYPE PoolType,
    __in SIZE_T NumberOfBytes,
    __in ULONG Tag
    );

//

 

    ● PoolType：枚举变量。如果为NonPagedPool，则分配非分页内存。如果为PagedPool，则分配分页内存。

    ● NumberOfBytes：分配内存的大小。注：最好是4的倍数。

    ● 返回值：分配内存的地址，一定是内核模式地址。如果返回0则代表分配失败。

 

    以上四个函数功能类似。以WithQuota结尾的函数代表分配的时候按配额分配。以WithTag结尾的函数和ExAllocatePool功能类似，唯一不同的是多了一个tag参数，系统在要求的内存外额外地多分配了4字节的标签。在调试的时候，可以找到是否有标有这个标签的内存没有被释放。

    以上4个函数都需要指定PoolType，分别可以指定如下几种：

    ● NonPagedPool：指定要求分配非分页内存。

    ● PagedPool：指定要求分配分页内存。

    ● NonPagedPoolMustSucceed：指定分配非分页内存，必须成功。

    ● DontUseThisType：未指定。

    ● NonPagedPoolCacheAligned：指定要求分配非分页内存，而且必须内存对齐。

    ● PagedPoolCacheAligned：指定分配分页内存，而且必须内存对齐。

    ● NonPagedPoolCacheAlignedMustS：指定分配非分页内存，而且必须对齐，且必须成功。

 

    将分配的内存进行回收的函数是ExFreePool和ExFreePoolWithTag，他们的原型是：

 

//

NTKERNELAPI
VOID
ExFreePoolWithTag(
    __in __drv_freesMem(Mem) PVOID P,   // 要释放的地址
    __in ULONG Tag
    );

#define ExFreePool(a) ExFreePoolWithTag(a,0)

//

 

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二、在驱动中使用链表

 

    WDK提供了两种链表：单向链表、双向链表。

    单项链表每个元素有一个Next指针指向下一个元素。双向链表每隔元素有两个指：：BLINK指向前一个元素，FLINK指向下一个元素。

 

1. 链表结构

    

// WDK中定义的双向链表数据结构

//
//  Doubly linked list structure.  Can be used as either a list head, or
//  as link words.
//

typedef struct _LIST_ENTRY {
   struct _LIST_ENTRY *Flink;
   struct _LIST_ENTRY *Blink;
} LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY, *RESTRICTED_POINTER PRLIST_ENTRY;

//
//  Singly linked list structure. Can be used as either a list head, or
//  as link words.
//

typedef struct _SINGLE_LIST_ENTRY {
    struct _SINGLE_LIST_ENTRY *Next;
} SINGLE_LIST_ENTRY, *PSINGLE_LIST_ENTRY;

//

 

2. 链表初始化

    初始化链表头用InitializeListHead宏实现。让双向链表的两个指针都指向自己。

    判断链表是否为空，只用判断链表指针是否指向自己即可。WDK提供了一个IsListEmpty。

    程序员需要自己定义链表每个元素的数据类型，并将LIST_ENTRY结构作为自动以结构的一个子域。LIST_ENTRY的作用是将自定义的数据结构串成一个链表。

 

//

typedef struct _MYDATASTRUCT{
    // List Entry要作为_MYDATASTRUCT结构体的一部分
    LIST_ENTRY ListEntry;

    // 自己定义的数据
    ULONG x;
    ULONG y;
};

//

 

3. 从首部插入链表

    在头部插入链表使用语句InsertHeadList。

 

//

InsertHeadList(&head, &mydata->ListEntry);

//

 

    head是LIST_ENTRY结构的链表头，mydata是用户定义的数据结构，它的子域ListEntry是包含其中的LIST_ENTRY数据结构。

 

4. 从尾部插入链表

    在尾部插入链表使用语句InsertTailList。

 

//

InsertTailList(&head, &mydata->ListEntry);

//

 

    head是LIST_ENTRY结构的链表头，mydata是用户定义的数据结构，它的子域ListEntry是包含其中的LIST_ENTRY数据结构。

 

5. 从链表删除

    从链表删除元素也是分两种。一种是从链表头部删除，一种是从链表尾部删除。分别队形RemoveHeadList和RemoveTailList函数。

 

//

PLIST_ENTRY pEntry = RemoveHeadList(&head);
PLIST_ENTRY pEntry = RemoveTailList(&tail);

//

 

    head是链表头，pEntry是从链表删除下来的元素中的ListEntry。

    如果用户自定义的数据结构第一个字段是LIST_ENTRY时，返回的指针可以强制转换为用户的数据结构指针。

    如果第一个字段不是LIST_ENTRY时，需要减去偏移量。为了简化操作WDK提供了宏CONTAINING_RECORD，其用法如下：

 

//

PLIST_ENTRY pEntry = RemoveHeadList(&head);
PIRP pIrp = CONTAINING_RECORD(pEntry, MYDATASTRUCT, ListEntry);

//

 

ListEntry为自定义的数据结构指针。

 

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三、 Lookaside结构

 

    频繁申请和回收内存，会导致在内存上产生大量内存“空洞”，导致无法申请新的内存。WDK为程序员提供了Lookaside结构来解决此问题。

 

1. 频繁申请内存的弊端

    频繁的申请与释放内存，会导致内存产生大量碎片。即使内存中有大量的可用内存，也会导致没有足够的连续内存空间而导致申请内存失败。在操作系统空闲的时候，系统会整理内存中的碎片，将碎片合并。

 

2. 使用Lookaside

    Lookaside对象可以理解成一个内存容器。在初始的时候，它先向Windows申请量一块比较大的内存。以后程序员每次申请的时候就不直接向Windows申请内存了，而是直接向Lookaside对象申请呢村。Lookaside对象智能的避免产生内存碎片。

    如果Lookaside内部内存不够用时它会向操作系统申请更多的内存。当Lookaside有大量内存未被使用时，它会让Windows回收部分内存。使用Lookaside申请内存效率要高于直接向Windows申请内存。

    Lookaside一般在以下情况使用：

    a. 程序员每次申请固定大小的内存；

    b. 申请和回收操作非常频繁。

 

    使用Lookaside对象，首先要进行初始化：

 

// WDK提供的Lookaside初始化函数

VOID ExInitializeNPagedLookasideList(
    IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside,
    IN PALLOCATE_FUNCTION  Allocate  OPTIONAL,
    IN PFREE_FUNCTION  Free  OPTIONAL,
    IN ULONG  Flags,
    IN SIZE_T  Size,
    IN ULONG  Tag,
    IN USHORT  Depth);

VOID ExInitializePagedLookasideList(
    IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside,
    IN PALLOCATE_FUNCTION  Allocate  OPTIONAL,
    IN PFREE_FUNCTION  Free  OPTIONAL,
    IN ULONG  Flags,
    IN SIZE_T  Size,
    IN ULONG  Tag,
    IN USHORT  Depth);

//

 

    这两个函数分别是对非分页内存和分页内存的申请。内存回收可用以下函数

 

//

VOID
  ExFreeToNPagedLookasideList(
    IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside,
    IN PVOID  Entry);

VOID
  ExFreeToPagedLookasideList(
    IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside,
    IN PVOID  Entry);

//

 

    它们是用于回收非分页内存与分页内存。

    在使用完Lookaside对象后，需要删除Lookaside对象，有以下两个函数：

 

//

VOID ExDeleteNPagedLookasideList(IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside);

VOID ExDeletePagedLookasideList(IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside);

//

 

    这两个函数分别删除非分页与分页的Lookaside对象。