让32位应用程序不再为2G内存限制苦恼

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：

[boot loader]
timeout=30
default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS
[operating systems]
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。

#if (_WIN32_WINNT >= 0x0500)
//
// Very Large Memory API Subset
//

WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
AllocateUserPhysicalPages(
    __in    HANDLE hProcess,
    __inout PULONG_PTR NumberOfPages,
    __out_ecount_part(*NumberOfPages, *NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
    );

WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
FreeUserPhysicalPages(
    __in    HANDLE hProcess,
    __inout PULONG_PTR NumberOfPages,
    __in_ecount(*NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
    );

WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
MapUserPhysicalPages(
    __in PVOID VirtualAddress,
    __in ULONG_PTR NumberOfPages,
    __in_ecount_opt(NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
    );
//...
#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 and WINVER
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。

#ifndef _WIN32_WINNT
#define _WIN32_WINNT 0x0501
#endif

    下面简要介绍一下每个API的功能。

BOOL WINAPI AllocateUserPhysicalPages(  //分配物理内存页,用于后面AWE的内存映射
  __in     HANDLE hProcess,     //指定可以使用此函数分配的内存页的进程
  __inout  PULONG_PTR NumberOfPages,    //分配的内存页数,页的大小由系统决定
  __out    PULONG_PTR UserPfnArray  //指向存储分配内存页帧成员的数组的指针
);

BOOL WINAPI FreeUserPhysicalPages(  //释放AllocateUserPhysicalPages函数分配的内存
  __in     HANDLE hProcess,     //释放此进程虚拟地址空间中的分配的内存页
  __inout  PULONG_PTR NumberOfPages,    //要释放的内存页数
  __in     PULONG_PTR UserPfnArray  //指向存储内存页帧成员的数组的指针
);

BOOL WINAPI MapUserPhysicalPages(   //将分配好的内存页映射到指定的地址
  __in  PVOID lpAddress,        //指向要重映射的内存区域的指针
  __in  ULONG_PTR NumberOfPages,    //要映射的内存页数
  __in  PULONG_PTR UserPfnArray     //指向要映射的内存页的指针
);

    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。

#include "AWE_TEST.h"
#include <windows.h>
#include <stdio.h>

#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.
#define MEMORY_VIRTUAL 1024*1024*512        //申请长度0.5G的虚拟内存,即AWE窗口.

//检测"锁定内存页"权限的函数
BOOL LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess, BOOL bEnable);

void _cdecl main()
{
    BOOL bResult;                   // 通用bool变量
    ULONG_PTR NumberOfPages;        // 申请的内存页数
    ULONG_PTR NumberOfPagesInitial; // 初始的要申请的内存页数
    ULONG_PTR *aPFNs;               // 页信息,存储获取的内存页成员
    PVOID lpMemReserved;            // AWE窗口
    SYSTEM_INFO sSysInfo;           // 系统信息
    INT PFNArraySize;               // PFN队列所占的内存长度

    GetSystemInfo(&sSysInfo);  // 获取系统信息

    printf("This computer has page size %d./n", sSysInfo.dwPageSize);

    //计算要申请的内存页数.

    NumberOfPages = MEMORY_REQUESTED/sSysInfo.dwPageSize;
    printf ("Requesting %d pages of memory./n", NumberOfPages);

    // 计算PFN队列所占的内存长度

    PFNArraySize = NumberOfPages * sizeof (ULONG_PTR);

    printf ("Requesting a PFN array of %d bytes./n", PFNArraySize);

    aPFNs = (ULONG_PTR *) HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, PFNArraySize);

    if (aPFNs == NULL)
    {
        printf ("Failed to allocate on heap./n");
        return;
    }

    // 开启"锁定内存页"权限

    if( ! LoggedSetLockPagesPrivilege( GetCurrentProcess(), TRUE ) )
    {
        return;
    }

    // 分配物理内存,长度2.5GB

    NumberOfPagesInitial = NumberOfPages;
    bResult = AllocateUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),
        &NumberOfPages,
        aPFNs );

    if( bResult != TRUE )
    {
        printf("Cannot allocate physical pages (%u)/n", GetLastError() );
        return;
    }

    if( NumberOfPagesInitial != NumberOfPages )
    {
        printf("Allocated only %p pages./n", NumberOfPages );
        return;
    }

    // 保留长度0.5GB的虚拟内存块(这个内存块即AWE窗口)的地址

    lpMemReserved = VirtualAlloc( NULL,
        MEMORY_VIRTUAL,
        MEM_RESERVE | MEM_PHYSICAL,
        PAGE_READWRITE );

    if( lpMemReserved == NULL )
    {
        printf("Cannot reserve memory./n");
        return;
    }

    char *strTemp;
    for (int i=0;i<5;i++)
    {
        // 把物理内存映射到窗口中来
        // 分5次映射,每次映射0.5G物理内存到窗口中来.
        // 注意,在整个过程中,lpMenReserved的值都是不变的
        // 但是映射的实际物理内存却是不同的
        // 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
        // 并在每段的开头写入一串字符串.

        bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
            NumberOfPages/5,
            aPFNs+NumberOfPages/5*i);

        if( bResult != TRUE )
        {
            printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
            return;
        }

        // 写入字符串,虽然是写入同一个虚存地址,
        // 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
        strTemp=(char*)lpMemReserved;
        sprintf(strTemp,"This is the %dth section!",i+1);

        // 解除映射

        bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
            NumberOfPages/5,
            NULL );

        if( bResult != TRUE )
        {
            printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
            return;
        }
    }

    // 现在再从5段内存中读出刚才写入的字符串
    for (int i=0;i<5;i++)
    {
        // 把物理内存映射到窗口中来

        bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
            NumberOfPages/5,
            aPFNs+NumberOfPages/5*i);

        if( bResult != TRUE )
        {
            printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
            return;
        }

        // 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
        strTemp=(char*)lpMemReserved;
        printf("%s/n",strTemp);

        // 解除映射

        bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
            NumberOfPages/5,
            NULL );

        if( bResult != TRUE )
        {
            printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
            return;
        }
    }


    // 释放物理内存空间

    bResult = FreeUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),
        &NumberOfPages,
        aPFNs );

    if( bResult != TRUE )
    {
        printf("Cannot free physical pages, error %u./n", GetLastError());
        return;
    }

    // 释放虚拟内存地址

    bResult = VirtualFree( lpMemReserved,
        0,
        MEM_RELEASE );

    // 释放PFN队列空间

    bResult = HeapFree(GetProcessHeap(), 0, aPFNs);

    if( bResult != TRUE )
    {
        printf("Call to HeapFree has failed (%u)/n", GetLastError() );
    }

}

/*****************************************************************

输入:

HANDLE hProcess: 需要获得权限的进程的句柄

BOOL bEnable: 启用权限 (TRUE) 或 取消权限 (FALSE)?

返回值: TRUE 表示权限操作成功, FALSE 失败.

*****************************************************************/
BOOL
LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess,
                             BOOL bEnable)
{
    struct {
        DWORD Count;
        LUID_AND_ATTRIBUTES Privilege [1];
    } Info;

    HANDLE Token;
    BOOL Result;

    // 打开进程的安全信息

    Result = OpenProcessToken ( hProcess,
        TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES,
        & Token);

    if( Result != TRUE )
    {
        printf( "Cannot open process token./n" );
        return FALSE;
    }

    // 开启 或 取消?

    Info.Count = 1;
    if( bEnable )
    {
        Info.Privilege[0].Attributes = SE_PRIVILEGE_ENABLED;
    }
    else
    {
        Info.Privilege[0].Attributes = 0;
    }

    // 获得LUID

    Result = LookupPrivilegeValue ( NULL,
        SE_LOCK_MEMORY_NAME,
        &(Info.Privilege[0].Luid));

    if( Result != TRUE )
    {
        printf( "Cannot get privilege for %s./n", SE_LOCK_MEMORY_NAME );
        return FALSE;
    }

    // 修改权限

    Result = AdjustTokenPrivileges ( Token, FALSE,
        (PTOKEN_PRIVILEGES) &Info,
        0, NULL, NULL);

    // 检查修改结果

    if( Result != TRUE )
    {
        printf ("Cannot adjust token privileges (%u)/n", GetLastError() );
        return FALSE;
    }
    else
    {
        if( GetLastError() != ERROR_SUCCESS )
        {
            printf ("Cannot enable the SE_LOCK_MEMORY_NAME privilege; ");
            printf ("please check the local policy./n");
            return FALSE;
        }
    }

    CloseHandle( Token );

    return TRUE;
}

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。