<学习笔记>Windows驱动开发技术详解__Windows内存管理

 

 作为开发Windows驱动程序的程序员，需要比普通程序员更多了解Windows内部的内存管理机制，并在驱动程序中有效地使用内存。在驱动程序的编写中，分配和管理内存不能使用熟知的Win32 API函数，取而代之的是DDK提供的高效内核函数。C语言和C++中大多数关于内存操作的运行时函数，大多在内核模式下是无法使用的。例如，C语言中的malloc函数和C++中的new操作符等。

 

内存管理的概念：

 

1.物理内存：

PC上有三条总线，分别是数据总线，地址总线和控制总线。32位的CPU寻址能力是4GB。用户最多可以使用4GB的真实物理内存。PC中会拥有许多设备，其中很多设备都拥有自己的设备内存，这部分的设备内存会映射到PC机的物理内存上，读写这段物理地址其实会读写设备内存地址。

 

2虚拟内存：

.虽然可以寻址4GB的内存，而PC里往往没有如此多的真实物理内存。操作系统和硬件为使用者提供了虚拟内存的概念。虚拟内存和物理内存之间的转换暂不讨论。

 

3.用户模式地址和内核模式地址：

虚拟地址在0~0X7FFFFFFF范围内的虚拟内存，即低2GB的虚拟地址，被称为用户模式地址。而0X80000000~0XFFFFFFFF范围内的虚拟内存，即高2GB的虚拟内存，被称为内核模式地址。

 

4.Windows驱动程序和进程的关系：

驱动程序可以看成一个特殊的DLL文件被应用程序加载到虚拟内存中，只不过加载地址是内核模式地址，而不是用户模式地址。

 

5.分页和非分页内存：

Windows规定有些虚拟内存页面是可以交换到文件中的，这类内存成为分页内存。而有些虚拟内存页永远不会交换到文件中，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，程序只能使用非分页内存，否则会导致蓝屏死机。

在编译DDK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 data_seg("PAGE")
#define LOCKEDDATA data_seg()
#define INITDATA data_seg("INIT")

如果将某个函数在入到分页内存，我们需要在函数的实现中加入如下代码：

#pragma INITCODE

VOID SomeFunction()
{
      PAGED_CODE();
      //do something
}

如果要让程序加载到非分页内存，需要在函数的实现中加入如下代码：

#pragma LOCKEDCODE
VOID SomeFunction()
{
      //do something
}

还有一种特殊情况，就是某个例程初始化的时候载入内存，然后就可以从内存中卸载掉，例如DriverEntry

#pragma INITCODE
extern "C" NTSTATUS DriverEntry(
                           IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject,
			IN PUNICODE_STRING pRegistryPath
						     )
{

}

 

6.内存的分配：

Windows驱动程序使用的内存资源非常珍贵，局部变量是在栈（stack）空间中，但是驱动程序的栈空间不会像应用程序那么大，所以不适合进行递归调用或者局部变量是大型的结构体，否则请在堆（Heap）中申请。

堆中申请内存的函数有以下几个：

PVOID 
ExAllocatePool(
		IN POOL_TYPE PoolType, 
	    IN SIZE_T NumberOfBytes
		);

PVOID 
ExAllocatePoolWithTag(
		IN POOL_TYPE PoolType, 
		IN SIZE_T NumberOfBytes, 
		IN ULONG Tag 
		);

PVOID 
ExAllocatePoolWithQuota( 
		IN POOL_TYPE PoolType,
		IN SIZE_T NumberOfBytes 
		);

PVOID 
ExAllocatePoolWithQuotaTag(
		IN POOL_TYPE PoolType,
		IN SIZE_T NumberOfBytes,
		IN ULONG Tag 
		);

其中有些重要的参数：

PoolType: 是个枚举变量，如果此值为NonPagedPool，则分配非分页内存。如果次值为PagedPool，则分配内存分页内存。

NumberOfBytes：是分配内存的大小，注意最好是4的倍数。

以上四个函数功能类似，函数以WithQuota结尾的代表分配的时候按额分配。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，

系统要求的内存外又额外地多分配4个字节的标签。在调试的时候，可以找出是否有标有这个标签的内存没有被释放。

 

将分配的内存，进行回收的函数原型如下：

VOID
ExFreePool( 
	IN PVOID P
		 );

NTKERNELAPI
VOID
ExFreePoolWithTag(
	IN PVOID P,
	IN ULONG Tag
  );

参数P就是要释放的内存。

 

在内存中使用链表：

链表中可以记录整形，浮点型，字符型或者程序员自定义的数据结构。对于单链表，元素中有一个Next指针指向下一个元素。对于双链表，每个元素有两个指针：BLINK指向前一个元素，FLINK指向下一个元素。

 

1.链表的结构：

DDK提供了标准的双向链表。双向链表可以将链表形成一个环。以下是DDK提供的双向链表的数据结构：

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

这个结构体只有指针没有数据。

 

2.链表的初始化：

每个双向链表都是以链表头作为链表的第一个元素。初次使用链表头需要进行初始化，主要将链表头的Flink和Blink两个指针都指向自己。初始化链表头用InitiallizeListHead宏实现。判断链表头是否为空,DDK提供了一个宏简化这种检查，这就是IsListEmpty。

IsListEmpty(&head);

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。例如：

typedef struct _MYDATASTRUCT
{
	LIST_ENTRY ListEntry;
	ULONG x;
	ULONG y;
}MYDATASTRUCT,*PMYDATASTRCUT;

3.插入链表：

对链表的插入有两种方式，一种是在链表的头部插入，一种是在链表的尾部插入。

在头部插入链表使用语句InsertHeadList，用法如下：

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

在尾部插入链表使用语句InsertTailList，用法如下：

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

 

4.链表的删除：

和插入链表一样，删除链表也有两种方法。一种从头部删除，一种从尾部删除。分别对应RemoveHeadList和RemoveTailList函数。其使用方法如下：

PLIST_ENTRY = RemoveHeadList(&head);

PLIST_ENTRY = RemoveTailList(&head);

 

下面代码完整演示向链表进行插入，删除等操作，其主要代码如下：

typedef struct _MYDATASTRUCT
{
	ULONG number;
	LIST_ENTRY ListEntry;
}MYDATASTRUCT,*PMYDATASTRCUT;

#pragma INITCODE
VOID LinkListTest()
{
	LIST_ENTRY linkListHead;
	//初始化链表
	InitializeListHead(&linkListHead);
    
	PMYDATASTRCUT pData;
	ULONG i = 0;
	//在链表中插入10个元素

    KdPrint(("Begain insert to link list"));
	for (i = 0 ; i < 10 ; i++)
	{
		pData = (PMYDATASTRCUT)
			     ExAllocatePool(PagedPool,sizeof(MYDATASTRUCT));
		pData->number = i;
		InsertHeadList(&linkListHead,&pData->ListEntry);
	}
	//从链表中取出，并显示
    KdPrint(("Begain remove from link list\n"));
	while (!IsListEmpty(&linkListHead))
	{
		PLIST_ENTRY pEntry = RemoveTailList(&linkListHead);
		pData = CONTAINING_RECORD(pEntry,
			              MYDATASTRUCT,
						  ListEntry);
		KdPrint(("%d\n",pData->number));
		ExFreePool(pData);
	}
}

在DebugView中打印log信息：

 

Lookaside结构：

频繁申请和回收内存，会导致在内存上产生大量的内存“空洞”，从而导致最终无法申请内存。DDK为程序员提供了Lookaside结构来解决这个问题。

 

1.使用Lookaside：

Lookaside一般会在一下情况使用：

（1）程序员每次申请固定大小的内存

（2）申请和回收的操作十分频繁

使用Lookaside对象，首先要初始化Lookaside对象，有以下两个函数可以使用：

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

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

这两个函数分别对非分页和分页Lookaside对象进行初始化。

在初始化完Lookaside对象后，可以进行申请内存的操作了，有以下两个函数：

PVOID
ExAllocateFromNPagedLookasideList(
			IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside 
			      );

PVOID
ExAllocateFromPagedLookasideList(
			IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside
			     );

这两个函数分别是对非分页和分页内存的申请。

对Lookaside对象进行回收内存的操作，有以下两个函数：

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

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

这两个函数分别是对非分页和分页内存的回收。

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
				);

下面代码完整展示Lookaside对象的使用：

#pragma INITCODE
VOID LookasideTest()
{
	//初始化Lookaside对象
	PAGED_LOOKASIDE_LIST pageList;
	ExInitializePagedLookasideList(&pageList,
		                         NULL,NULL,0,
								 sizeof(MYDATASTRUCT),
								 '1234',
								 0);
#define ARRAY_NUMBER 50
	PMYDATASTRUCT MyObjectArray[ARRAY_NUMBER];
	//模拟频繁申请内存
	for (int i = 0 ; i < ARRAY_NUMBER ; i++)
	{
		MyObjectArray[i] = 
			(PMYDATASTRUCT)ExAllocateFromPagedLookasideList(&pageList);
	}
	//模拟频繁回收内存
	for (i = 0 ; i < ARRAY_NUMBER ; i++)
	{
		ExFreeToPagedLookasideList(&pageList,MyObjectArray[i]);
		MyObjectArray[i] = NULL;
	}
	//删除Lookaside对象
	ExDeletePagedLookasideList(&pageList);
}

运行时函数：

 

1.内存间复制（非重叠）

在驱动程序开发中，经常用到内存的复制。DDK为程序员提供了以下函数：

VOID
RtlCopyMemory( 
		IN VOID UNALIGNED *Destination, 
		IN CONST VOID UNALIGNED *Source, 
		IN SIZE_T Length
		);

Destination:表示要复制内存的目的地址

Source：表示要复制内存的源地址

Length：表示要复制内存的长度，单位是字节

 

2.内存间的复制（可重叠）

函数原型：

VOID
RtlMoveMemory( 
		IN VOID UNALIGNED *Destination,
		IN CONST VOID UNALIGNED *Source, 
		IN SIZE_T Length
		);

Destination:表示要复制内存的目的地址

Source：表示要复制内存的源地址

Length：表示要复制内存的长度，单位是字节

 

3.内存填充：

驱动程序开发中，还经常用到对某段内存区域用固定字节填充。DDK为程序员提供了函数RtlFillMemory。它在IA32平台下也是个宏，实际是memset函数。

VOID
RtlFillMemory( 
	   IN VOID UNALIGNED *Destination, 
	   IN SIZE_T Length,
	   IN UCHAR Fill
	   );

Destination：目的地址

Length：长度

Fill：需要填充的字节

 

在驱动开发中，还经常需要对某段内存填零，DDK提供的宏是RtZeroBytes和RtZeroMemory。

VOID
RtlZeroMemory(
	   IN VOID UNALIGNED *Destination, 
	   in SIZE_T Length
	   );

Destination：目的地址

Length：长度

 

4.内存比较：

驱动开发中，还会用到比较两块内存是否一致。该函数是RtlCompareMemory,其申明是：

ULONG
RtlEqualMemory(
      CONST VOID *Source1,
      CONST VOID *Source2
      SIZE_T Length
	   );

Source1:比较的第一个内存地址

Source2:比较的第二个内存地址
Length:比较的长度，单位为字节

 

将这些运行时函数统一做一个实验，代码如下：

#define BUFFER_SIZE 1024
#pragma INITCODE
VOID RtTest()
{
	PUCHAR pBuffer = (PUCHAR)ExAllocatePool(PagedPool,BUFFER_SIZE);
	//用零填充内存
	RtlZeroMemory(pBuffer,BUFFER_SIZE);

	PUCHAR pBuffer2 = (PUCHAR)ExAllocatePool(PagedPool,BUFFER_SIZE);
	//用固定字节填充内存
	RtlFillMemory(pBuffer,BUFFER_SIZE,0xAA);

	//内存拷贝
	RtlCopyMemory(pBuffer,pBuffer2,BUFFER_SIZE);

	//判断内存是否一致
	ULONG ulRet = RtlCompareMemory(pBuffer,pBuffer2,BUFFER_SIZE);
	if (ulRet == BUFFER_SIZE)
	{
		KdPrint(("The two blocks are same\n"));
	}
}

 

 

 

（下一篇：Windows内核函数）