11、Windows API 内存管理（1）

一、相关概念

1、内存主要储存程序运行时所需的机器代码、数据等内容。

    内存的最小存储单元是字节，内存中的每一个字节都有一个地址。在32位系统上，使用32位的数来表示内存地址，因此一共可以表示232 (4294967296-4G)个字节。

2、地址

(1)地址空间。

    系统中所有可用的内存地址的集合称为地址空间。比如，如果可以使用4GB的内存，那么其地址空间就是0x00000000～0xFFFFFFFF。

(2)物理内存。

    硬件系统中真实存在的存储空间称为物理内存，物理内存的访问通过硬件系统总线进行的。

    但不是每台32位的机器都具有4GB的物理地址空间，因此物理地址空间不一定是0x00000000～0xFFFFFFFF，比如在物理内存为1GB的系统上，就可能只有0x00000000～0x3FFFFFFF的地址可以使用。

(3)虚拟地址空间。

    为了访问内存的统一和方便，操作系统允许其上运行的程序访问所有的4GB内存空间中的地址。因此操作系统必须进行一些必要的地址转换工作，将程序访问的地址转换为物理内存中的真实物理地址，然后进行数据的存取。操作系统进行转换后，供程序使用的地址空间称为虚拟地址空间。在32位系统上，可以使用的虚拟地址空间大小是4GB。

    当然，由于虚拟地址空间可能比真实物理地址空间大，系统会将部分虚拟地址空间中的地址转换为硬盘中的数据，在必要时将物理内存中的数据与硬盘中的数据进行交换。

    这种地址转换和数据交换是通过分页和分段机制实现的。

(4)进程的内存空间：用户内存空间与内核内存空间。

    Windows操作系统中的每个进程都有属于自己的虚拟地址空间。32位的Window操作系统将4GB（在64位系统上，这个值达到了8TB）的虚拟内存划分为两个部分，进程使用2GB，称为用户进程空间；内核使用2GB，称为系统地址空间或内核地址空间（也可设置为用户进程空间使用3GB，内核使用1GB，这里只讨论各为2GB的情况），用户空间的地址范围为0x00000000～0x7FFFFFFF，内核空间的地址范围为0x80000000～0xFFFFFFFF。虚拟地址空间在进程上是封闭的，进程只能访问属于自己的地址空间，如果要访问其他进程的地址空间需特殊的机制。

3、分页与分段内存管理、内存映射与地址转换

32位地址的高10位称为页目录索引(Directory)、次10位称为页表索引(Table)，余下的12位为偏移(Offset)。如果只取前两个部分的20位，末位补0，那么其可能指向的地址都是4KB( 212)对齐的，也就是页的基地址。所以32位中的前20位定位了页的基地址(PFN)，而最后12位是地址在页内的偏移。

相当于先选定那本书，再选定那本书的页数，再选中页中的那行。

    在地址转换的过程中，还涉及一个关键的系统寄存器CR3。CR3寄存器中的高12～32位保存了页目录索引在物理内存中的地址。

地址转换经过了如下过程。

(1)从CR3寄存器的12～32位中取出地址，末位补0，构成一个32位的地址，此地址是页目录所在物理内存的基地址（因此页目录在内存中肯定是4KB对齐的）。

(2)以线性地址中的高10位的页目录索引（Directory）中数据为偏移，加上上一步得到的页目录所在物理内存的基地址，在页目录中找到相应的页目录项(PDE)。

(3)页目录项中包括了页表的基地址，线性地址中的页表索引(Table)是页表中的偏移，找到页表项(PTE)。

(4)页表项(PTE)中存储的是物理地址空间中的页面的地址(PFN)，如果PFN指向的页面是无效的（不在物理内存中），那么会在系统内核中引起页错误，系统内核会进行页面调度，将物理内存中暂不使用的页面交换到硬盘中，将硬盘中需要访问的页面交换到物理内存中，使用PFN指向的页是有效的。

(5)现在已经找到了线性地址所对应的物理地址所在的页的基址。

(6)在物理页地址的基础上，加上线性地址末12位的偏移，可得到线性地址与物理地址的对应。

    从中可以看出地址转换是以页为单位的，也就是线性地址与所对应的物理地址的页基地址(PFN)是会变化的，在页内的偏移地址是不会发生变化的。

    每一个页目录项对应了一个页表，一共有210个页目录。每一个页表项对应了一个内存分页，每个页表是最多可以表示210个页表。最多一共是多有220个页。