Windows核心编程-内存管理

使用虚拟内存

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


虚拟内存，最适合用来管理大型对象或 结构数组。 内存映射文件，最适合用来管理大型数 据流（通常来自文件）以及在单个计算 机上运行的多个进程之间共享数据。 内存堆栈，最适合用来管理大量的小对 象。
使用虚拟内存－VirtualAlloc
通过调用Vi r t u a l A l l o c函数，可以在进程的地址空间 中保留一个区域： LPVOID VirtualAlloc(


毫无疑问，最容易的方法是设计一个C E L L D ATA结构，它的大小 只有一个页面。这时，由于始终都是每个页面使用一个结构，因此 当不再需要该结构中的数据时，就可以回收该页面的物理存储器。 即使你的数据结构是x86 CPU上的8 KB或12 KB页面的倍数（通常 这是非常大的数据结构），回收内存仍然是非常容易的。当然，如 果要使用这种方法，必须定义你的数据结构，使之符合你针对的C P U的页面大小而不是我们通常编写程序所用的结构。 更为实用的方法是保留一个正在使用的结构的记录。为了节省内存， 可以使用一个位图。这样，如果有一个1 0 0个结构的数组，你也可 以维护一个1 0 0位的数组。开始时，所有的位均设置为0，表示这些 结构都没有使用。当使用这些结构时，可以将对应的位设置为1然后， 每当不需要某个结构，并将它的位重新改为0时，你可以检查属于同 一个内存页面的相邻结构的位。如果没有相邻的结构正在使用，就 可以回收该页面。 最后一个方法是实现一个无用单元收集函数。这个方案依赖于这样 一种情况，即当物理存储器初次提交时，系统将一个页面中的所有 字节设置为0。若要使用该方案，首先必须在你的结构中设置一个B O O L（也许称为f I n U s e）。然后，每次你将一个结构放入已提 交的内存中，必须确保该fIn U s e被置于T R U E。
内存管理

当一个进程中的线程试图将数据写入一个共享内存块 时，系统就会进行干预，并执行下列操作步骤：



1) 系统查找R A M中的一个空闲内存页面。注意，当该模块 初次被映射到进程的地址空间时，该空闲页面将被页文件 中已分配的页面之一所映射。当该模块初次被映射时，由 于系统要分配所有可能需要的页文件，因此这一步不可能 运行失败。 2) 系统将试图被修改的页面内容拷贝到第一步中找到的页 面。该空闲页面将被赋予PA G E _ R E A D W R I T E或 PA G E _ E X E C U T E _ R E A D W R I T E保护属性。 原始页面的保护属性和数据不发生任何变化。 3) 然后系统更新进程的页面表，使得被访问的虚拟地址被 转换成新的R A M页面。
使用虚拟内存－VirtualAlloc
在已保留的区域中，你必须告诉Vi r t u a l A l l o c函数，你想将物理存储 器提交到何处，以及要提交多少物理存储器。为了做到这一点，可以在p v A d d r e s s参数中设定你需要的内存地址，并在d w S i z e参数中设定 物理存储器的数量（以字节为计量单位）。注意，不必立即将物理存储器 提交给整个区域。
内存管理－数据对齐的重要性

数据对齐并不是操作系统的内存结构的一部分，而是 C P U结构的一部分。 当C P U访问正确对齐的数据时，它的运行效率最高。 当数据大小的数据模数的内存地址是0时，数据是对 齐的。例如， W O R D值应该总是从被2除尽的地址 开始，而D W O R D值应该总是从被4除尽的地址开 始，如此等等。当C P U试图读取的数据值没有正确 对齐时， C P U可以执行两种操作之一。即它可以产 生一个异常条件，也可以执行多次对齐的内存访问， 以便读取完整的未对齐数据值。
使用虚拟内存－提交


保留一个关于哪些页面已经提交和哪些页面尚未提交的记录。这样 做可以使你的应用程序运行得更快，因为不必调用Vi r t u a l A l l o c 函数，你的代码能够比系统更快地确定内存是否已经被提交。它的 缺点是，必须不断跟踪页面提交的信息，这可能非常简单，也可能 非常困难，要根据你的情况而定。 使用结构化异常处理（ S E H）方法，这是最好的方法。S E H是一 个操作系统特性，它使系统能够在发生某种情况时将此情况通知你 的应用程序。实际上可以创建一个带有异常处理程序的应用程序， 然后，每当试图访问未提交的内存时，系统就将这个问题通知应用 程序。然后你的应用程序便进行内存的提交，并告诉系统重新运行 导致异常条件的指令。这时对内存的访问就能成功地进行了，程序 将继续运行，仿佛从未发生过问题一样。这种方法是优点最多的方 法，因为需要做的工作最少（也就是说要你编写的代码比较少）， 同时，你的程序可以全速运行。关于S E H的全面介绍，请参见第2 3、2 4和2 5章。第2 5章中的电子表格示例应用程序说明了如何按照 上面介绍的方法来使用虚拟内存。
使用虚拟内存－电子表格




1) 保留一个足够大的地址空间区域，用来存放C E L L D ATA结构的整个数组。保留一个根本不使用任何 物理存储器的区域。 2) 当用户将数据输入一个单元格时，找出C E L L D ATA结构应该进入的保留区域中的内存地址。当然， 这时尚未有任何物理存储器被映射到该地址，因此， 访问该地址的内存的任何企图都会引发访问违规。 3) 就C E L L D ATA结构来说，只将足够的物理存储 器提交给第二步中找到的内存地址（你可以告诉系统 将物理存储器提交给保留区域的特定部分，这个区域 既可以包含映射到物理存储器的各个部分，也可以包 含没有映射到物理存储器的各个部分）。 4) 设置新的C E L L D ATA结构的成员。
内存管理
内存管理
内存管理－页面
内存管理－物理存储器


在第一种情况中，线程试图访问的数据是在R A M中。在 这种情况下， C P U将数据的虚拟内存地址映射到内存 的物理地址中，然后执行需要的访问。 在第二种情况中，线程试图访问的数据不在R A M中，而 是存放在页文件中的某个地方。这时，试图访问就称为 页面失效， C P U将把试图进行的访问通知操作系统。 这时操作系统就寻找R A M中的一个内存空页。如果找不 到空页，系统必须释放一个空页。如果一个页面尚未被 修改，系统就可以释放该页面。但是，如果系统需要释 放一个已经修改的页面，那么它必须首先将该页面从R A M拷贝到页交换文件中，然后系统进入该页文件，找出 需要访问的数据块，并将数据加载到空闲的内存页面。 然后，操作系统更新它的用于指明数据的虚拟内存地址 现在已经映射到R A M中的相应的物理存储器地址中的表。 这时C P U重新运行生成初始页面失效的指令，但是这次 C P U能够将虚拟内存地址映射到一个物理R A M地址， 并访问该数据块。
使用虚拟内存－回收
若要回收映射到一个区域的物理存储器， 或者释放这个地址空间区域，可调用Vi r t u a l F r e e函数： BOOL VirtualFree(

LPVOID lpAddress, SIZE_T dwSize, DWORD dwFreeType );
使用虚拟内存－回收

内存管理

每个进程有它自己的私有地址空间。进程A可 能有一个存放在它的地址空间中的数据结构， 地址是0 x 1 2 3 4 5 6 7 8，而进程B则有一个 完全不同的数据结构存放在它的地址空间中， 地址是0 x 1 2 3 4 5 6 7 8。当进程A中运行的 线程访问地址为0 x 1 2 3 4 5 6 7 8的内存时， 这些线程访问的是进程A的数据结构。当进程 B中运行的线程访问地址为0 x 1 2 3 4 5 6 7 8 的内存时，这些线程访问的是进程B的数据结 构。进程A中运行的线程不能访问进程B的地 址空间中的数据结构。反之亦然。
LPVOID lpAddress, SIZE_T dwSize, DWORD flAllocationType, DWORD flProtect ); 第一个参数p v A d d r e s s包含一个内存地址，用于设定想 让系统将地址空间保留在什么地方。在大多数情况下，你为 该参数传递M U L L。 如果Vi r t u a l A l l o c函数能够满足你的要求，那么它就返 回一个值，指明保留区域的基地址。如果传递一个特定的地 址作为Vi r t u a l A l l o c的p v A d d r e s s 参数，那么该返 回值与传递给Vi r t u a l A l l o c的值相同，并被圆整为（如 果需要的话） 6 4 K B边界值。
使用虚拟内存－提交


始终设法进行物理存储器的提交。每次调用Vi r t u a l A l l o c函数的时候，不要查看物理存储器是否已经映 射到地址空间区域的一个部分，而是让你的程序设法 进行内存的提交。系统首先查看内存是否已经被提交， 如果已经提交，那么就不要提交更多的物理存储器。 这种方法最容易操作，但是它的缺点是每次改变C E L L D ATA结构时要多进行一次函数的调用，这会使程 序运行得比较慢。 使用Vi r t u a l Q u e r y函数确定物理存储器是否已经 提交给包含C E L L D ATA结构的地址空间。如果已经 提交了，那么就不要进行任何别的操作。如果尚未提 交，则可以调用Vi r t u a l A l l o c函数以便提交内存。 这种方法实际上比第一种方法差，它既会增加代码的 长度，又会降低程序运行的速度（因为增加了对Vi r t u a l A l l o c函数的调用）。
有时你可能想要在保留区域的同时，将物理存储器提交给它。只需要一 次调用Vi r t u a l A l l o c函数就能进行这样的操作，如下所示：
使用虚拟内存－电子表格


传统上，电子表格一直是用其他数据结构技术来实现 的，比如链接表等。使用链接表，只需要为电子表格 中实际包含数据的单元格创建C E L L D ATA结构。 由于电子表格中的大多数单元格都是不用的，因此这 种方法可以节省大量的内存。但是这种方法使得你很 难获得单元格的内容。如果想知道第5行第1 0列的单 元格的内容，必须遍历链接表，才能找到需要的单元 格，因此使用链接表方法比明确声明的矩阵方法速度 要慢。 虚拟内存为我们提供了一种兼顾预先声明二维矩阵和 实现链接表的两全其美的方法。运用虚拟内存，既可 以使用已声明的矩阵技术进行快速而方便的访问，又 可以利用链接表技术大大节省内存的使用量。
使用虚拟内存－改变保护属性
若要改变内存页面的保护属性，可以调 用Vi r t u a l P r o t e c t函数： BOOL VirtualProtect(

LPVOID lpAddress, SIZE_T dwSize, DWORD flNewProtect, PDWORD lpflOldProtect );
Windows核心编程
许红星 Email：hxxu@ynu.edu.cn 云南大学软件学院
内存管理

进程的虚拟地址空间 每个进程都被赋予它自己的虚拟地址空间。对于3 2位进 程来说，这个地址空间是4 G B，因为3 2位指针可以拥 有从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0至0 x F F F F F F F F之间的任何 一个值。这使得一个指针能够拥有4 294 967 296个值中 的一个值，它覆盖了一个进程的4 G B虚拟空间的范围。 对于6 4位进程来说，这个地址空间是1 6 E B（1 01 8字 节），因为6 4位指针可以拥有从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0至0 x F F F F F F F F F F F F F F F F之间的 任何值。这使得一个指针可以拥有18 446 744 073 709 551 616个值中的一个值，它覆盖了一个进程的1 6 E B 虚拟空间的范围。