《Windows内核编程》---内存管理基本概念

内存管理概念：

1）物理内存

PC上有三条总线：数据总线、地址总线和控制总线。32位CPU的寻址能力是4GB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，例如显卡就提供了自己的显存。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，其实会读写的设备内存地址，而不会读写物理内存地址。

 

2）虚拟内存地址

Windows所有程序（包括Ring0层和Ring3层的程序）可以操作的都是虚拟内存。之所以称为虚拟内存，是因为对它的所有操作最终都会变成一系列对真实物理内存的操作。

CPU中有一个重要的寄存器CR0，它是32位的寄存器，其中的一个位（PG位）是负责告诉系统是否分页的。Windows在启动前会将它的PG位设为1，即允许分页。DDK中有个宏PAGE_SIZE记录着分页大小，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第M个分页单元，这是一种多对一的映射，多个虚拟内存页可以映射到同一个物理内存页。还有一部分单元会被映射成磁盘上的文件，并标记为脏的（Dirty）。当读取这段虚拟内存时，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，并标记为不脏。

Windows使用虚拟内存是基于以下原因：

1、虚拟的增加了内存的大小；

2、使不同进程的虚拟内存互不干扰，为了让系统可以同时运行不同的进程，Windows让每个进程看到的虚拟内存都不相同。

 

3）用户模式地址和内核模式地址

虚拟地址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。Windows规定运行在用户态（Ring3层）的程序只能访问用户模式地址，而运行在核心态（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在高2GB的内核地址里。Windows在进程切换时，保持内核模式地址是完全相同的，只改变用户模式地址的映射。

 

4）Windows驱动程序和进程的关系

驱动程序可以看成是一个特殊的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。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例程是运行在系统进程System中的。System进程是Windows第一个运行的进程。当需要加载驱动程序时，System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中，并调用DriverEntry例程。而其他一些例程，如IRP_MJ_READ的派遣函数会运行于应用程序的上下文中。所谓运行在进程的上下文，指的是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。

下面的函数可以显示出当前进程的进程名：

VOID DisplayProcessName()

{

         //得到当前进程

         PEPROCESS process = PsGetCurrentProcess();

         //得到当前进程名称

         PTSTR ProcessName = (PTSTR)((ULONG)process + 0x174);

         KdPrint(("%s/n", processName));

}

 

5）分页与非分页内存

Windows规定有些虚拟内存页面可以交换到文件中，这类内存被称为分页内存；而有些虚拟内存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（包括DISPATCH_LEVEL层），程序只能使用非分页内存，否则将导致蓝屏死机。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：

#define PAGEDCODE code_seg("PAGE")

#define LOCKEDCODE code_seg()

#define INITCODE code_seg("INIT")

 

#define PAGEDDATA data_seg("PAGE")

#define LOCKEDCODE code_seg()

#define INITDATA data_seg("INIT")

如果将某个函数载入到分页内存，我们这样使用：

#pragma PAGEDCODE

VOID ASCEFunction()

{

         PAGED_CODE();

         //do something

}

其中，PAGED_CODE()是DDK提供的宏，只在Checked版本中生效。它检验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，我们这样使用：

#pragma LOCKEDCODE

VOID ASCEFunction()

{

         //do something

}

如果某个例程需要在初始化时载入内存，然后就可以从内存中卸载掉（这种情况指出现在DriverEntry情况下，尤其是NT式驱动，DriverEntry会很长，占据很大的空间，为了节省内存，需要及时地从内存中卸载掉），我们这样使用：

#pragma INITCODE

extern "C" NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject,

                                                                                                                IN PUNICODE_STRING RegistryPath)

{

         //do something

}

 

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，局部变量存放在栈空间中，但栈空间不像应用程序那么大，所以驱动程序不适合递归调用或这局部变量是大型结构体。若需要大型结构体，应该在堆上申请。

堆中申请内存的函数如下：

PVOID ExAllocatePoolWithTag(

  __in  POOL_TYPE PoolType,

  __in  SIZE_T NumberOfBytes,

  __in  ULONG Tag

);

PVOID ExAllocatePoolWithQuotaTag(

  __in  POOL_TYPE PoolType,

  __in  SIZE_T NumberOfBytes,

  __in  ULONG Tag

);

其中，PoolType是个枚举变量：

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，且必须内存对齐

NonPagedPoolCacheAlignedMustS    //指定分配非分页内存，且必须内存对齐，且必须成功

NumberOfBytes是分配内存的大小，最好是4的倍数；

返回值分配的内存地址，一定是内核模式地址；如果返回0，表示分配失败。

函数以WithQuota结尾代表分配时按配额分配；以WithTag结尾的，多出的Tag参数，用在调试时，可以找出是否有标有这个Tag的内存没有被释放。

 

将分配的内存进行回收的函数是ExFreePool和ExFreePoolWithTag：

VOID ExFreePool(

  __in  PVOID P

);

VOID ExFreePoolWithTag(

  __in  PVOID P,

  __in  ULONG Tag

);