so true

虛擬存儲(chǔ)器是一個(gè)抽象概念，它為每一個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)假象，好像每個(gè)進(jìn)程都在獨(dú)占的使用主存。每個(gè)進(jìn)程看到的存儲(chǔ)器都是一致的，稱之為虛擬地址空間。

     每個(gè)進(jìn)程看到得虛擬地址空間有大量準(zhǔn)確定義的區(qū)（area）構(gòu)成，每個(gè)區(qū)都有專門的功能。從最低的地址看起：

• 程序代碼和數(shù)據(jù)：代碼是從同一固定地址開始，緊接著的是和C全局變量相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)。 （應(yīng)該就是所謂的靜態(tài)存儲(chǔ)空間）
• 堆：代碼和數(shù)據(jù)區(qū)后緊隨著的是運(yùn)行時(shí)堆。作為調(diào)用malloc和free這樣的C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，堆可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)的擴(kuò)展和收縮。（應(yīng)該就是所謂的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)）
• 共享庫：在地址空間的中間附近是一塊用來存放像C標(biāo)準(zhǔn)庫和數(shù)學(xué)庫這樣共享庫的代碼和數(shù)據(jù)的區(qū)域。（C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的指令，連接階段把他們加入到編譯后的程序）
• 棧：位于用戶虛擬地址空間頂部的是用戶棧，編譯器用它來實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用。和堆一樣每次我們從函數(shù)返回時(shí)，棧就會(huì)收縮。
• 內(nèi)核虛擬存儲(chǔ)器：內(nèi)核是操作系統(tǒng)總是駐留在存儲(chǔ)器中的部分。地址空間頂部的四分之一部分是為內(nèi)核預(yù)留的。（系統(tǒng)函數(shù)？這里說的UNIX系統(tǒng)，不知道windows下是不是這樣的？）

引言

　　Windows的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是深入理解Windows操作系統(tǒng)如何運(yùn)作的最關(guān)鍵之所在，通過對(duì)內(nèi)存結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)可清楚地了解諸如進(jìn)程間數(shù)據(jù)的共享、對(duì)內(nèi)存進(jìn)行有效的管理等問題，從而能夠在程序設(shè)計(jì)時(shí)使程序以更加有效的方式運(yùn)行。Windows操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理可采取多種不同的方式，其中虛擬內(nèi)存的管理方式可用來管理大型的對(duì)象和結(jié)構(gòu)數(shù)組。

　　在Windows系統(tǒng)中，任何一個(gè)進(jìn)程都被賦予其自己的虛擬地址空間，該虛擬地址空間覆蓋了一個(gè)相當(dāng)大的范圍，對(duì)于32位進(jìn)程，其地址空間為232=4,294,967,296 Byte，這使得一個(gè)指針可以使用從0x00000000到0xFFFFFFFF的4GB范圍之內(nèi)的任何一個(gè)值。雖然每一個(gè)32位進(jìn)程可使用4GB的地址空間，但并不意味著每一個(gè)進(jìn)程實(shí)際擁有4GB的物理地址空間，該地址空間僅僅是一個(gè)虛擬地址空間，此虛擬地址空間只是內(nèi)存地址的一個(gè)范圍。進(jìn)程實(shí)際可以得到的物理內(nèi)存要遠(yuǎn)小于其虛擬地址空間。進(jìn)程的虛擬地址空間是為每個(gè)進(jìn)程所私有的，在進(jìn)程內(nèi)運(yùn)行的線程對(duì)內(nèi)存空間的訪問都被限制在調(diào)用進(jìn)程之內(nèi)，而不能訪問屬于其他進(jìn)程的內(nèi)存空間。這樣，在不同的進(jìn)程中可以使用相同地址的指針來指向?qū)儆诟髯哉{(diào)用進(jìn)程的內(nèi)容而不會(huì)由此引起混亂。下面分別對(duì)虛擬內(nèi)存的各具體技術(shù)進(jìn)行介紹。
地址空間中區(qū)域的保留與釋放

在進(jìn)程創(chuàng)建之初并被賦予地址空間時(shí)，其虛擬地址空間尚未分配，處于空閑狀態(tài)。這時(shí)地址空間內(nèi)的內(nèi)存是不能使用的，必須首先通過VirtualAlloc（）函數(shù)來分配其內(nèi)的各個(gè)區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行保留。

LPVOID VirtualAlloc(
　LPVOID lpAddress,
　DWORD dwSize,
　DWORD flAllocationType,
　DWORD flProtect
);

其參數(shù)lpAddress包含一個(gè)內(nèi)存地址，用于定義待分配區(qū)域的首地址。通常可將此參數(shù)設(shè)置為NULL，由系統(tǒng)通過搜索地址空間來決定滿足條件的未保留地址空間。這時(shí)系統(tǒng)可從地址空間的任意位置處開始保留一個(gè)區(qū)域，而且還可以通過向參數(shù)flAllocationType設(shè)置MEM_TOP_DOWN標(biāo)志來指明在盡可能高的地址上分配內(nèi)存。如果不希望由系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)內(nèi)存區(qū)域的分配而為lpAddress設(shè)定了內(nèi)存地址（必須確保其始終位于進(jìn)程的用戶模式分區(qū)中，否則將會(huì)導(dǎo)致分配的失敗），那么系統(tǒng)將在進(jìn)行分配之前首先檢查在該內(nèi)存地址上是否存在足夠大的未保留空間，如果存在一個(gè)足夠大的空閑區(qū)域，那么系統(tǒng)將會(huì)保留此區(qū)域并返回此保留區(qū)域的虛擬地址，否則將導(dǎo)致分配的失敗而返回NULL。這里需要特別指出的是，在指定lpAddress的內(nèi)存地址時(shí)，必須確保是從一個(gè)分配粒度的邊界處開始。
一般來說，在不同的CPU平臺(tái)下分配粒度各不相同，但目前所有Windows環(huán)境下的CPU如x86、32位Alpha、64位Alpha以及IA-64等均是采用64KB的分配粒度。如果保留區(qū)域的起始地址沒有遵循從64KB分配粒度的邊界開始之一原則，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整該地址到最接近的64K的倍數(shù)。例如，如果指定的lpAddress為0x00781022，那么此保留區(qū)域?qū)嶋H是從0x00780000開始分配的。參數(shù)dwSize指定了保留區(qū)域的大小。但是系統(tǒng)實(shí)際保留的區(qū)域大小必須是CPU頁面大小的整數(shù)倍，如果指定的dwSize并非CPU頁面的整數(shù)倍，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到與之最接近的頁面大小整數(shù)倍。與分配粒度一樣，對(duì)于不同的CPU平臺(tái)其頁面大小也是不一樣的。在x86平臺(tái)下，頁面大小為4KB，在32位Alpah平臺(tái)下，頁面大小為8KB。在使用時(shí)可以通過GetSystemInfo（）來決定當(dāng)前主機(jī)的頁面大小。參數(shù)flAllocationType和flProtect分別定義了分配類型和訪問保護(hù)屬性。由于VirtualAlloc（）可用來保留一個(gè)區(qū)域也可以用來占用物理存儲(chǔ)器，因此通過flAllocationType來指定當(dāng)前是要保留一個(gè)區(qū)域還是要占用物理存儲(chǔ)器。其可能使用的內(nèi)存分配類型有：

　　分配成功完成后，即在進(jìn)程的虛擬地址空間中保留了一個(gè)區(qū)域，可以對(duì)此區(qū)域中的內(nèi)存進(jìn)行保護(hù)權(quán)限許可范圍內(nèi)的訪問。當(dāng)不再需要訪問此地址空間區(qū)域時(shí)，應(yīng)釋放此區(qū)域。由VirtualFree（）負(fù)責(zé)完成。其函數(shù)原型為：

其中，參數(shù)lpAddress為指向待釋放頁面區(qū)域的指針。如果參數(shù)dwFreeType指定了MEM_RELEASE，則lpAddress必須為頁面區(qū)域被保留時(shí)由VirtualAlloc（）所返回的基地址。參數(shù)dwSize指定了要釋放的地址空間區(qū)域的大小，如果參數(shù)dwFreeType指定了MEM_RELEASE標(biāo)志，則將dwSize設(shè)置為0，由系統(tǒng)計(jì)算在特定內(nèi)存地址上的待釋放區(qū)域的大小。參數(shù)dwFreeType為所執(zhí)行的釋放操作的類型，其可能的取值為MEM_RELEASE和MEM_DECOMMIT，其中MEM_RELEASE標(biāo)志指明要釋放指定的保留頁面區(qū)域，MEM_DECOMMIT標(biāo)志則對(duì)指定的占用頁面區(qū)域進(jìn)行占用的解除。如果VirtualFree（）成功執(zhí)行完成，將回收全部范圍的已分配頁面，此后如再對(duì)這些已釋放頁面區(qū)域內(nèi)存的訪問將引發(fā)內(nèi)存訪問異常。釋放后的頁面區(qū)域可供系統(tǒng)繼續(xù)分配使用。

　　下面這段代碼演示了由系統(tǒng)在進(jìn)程的用戶模式分區(qū)內(nèi)保留一個(gè)64KB大小的區(qū)域，并將其釋放的過程：

// 在地址空間中保留一個(gè)區(qū)域

LPBYTE bBuffer = (LPBYTE)VirtualAlloc(NULL, 65536, MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);

……

// 釋放已保留的區(qū)域

VirtualFree(bBuffer, 0, MEM_RELEASE);

flProtect頁面保護(hù)屬性

我們可以給每個(gè)已分配的物理存儲(chǔ)頁指定不同的頁面保護(hù)屬性。表13-3列出了所有的頁面保護(hù)屬性。

表13-3  內(nèi)存頁面保護(hù)屬性

一些惡意軟件將代碼寫入到用于數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域(比如線程棧上)，通過這種方式讓應(yīng)用程序執(zhí)行惡意代碼。Windows的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)(Data Execution Protection，后面簡(jiǎn)稱為DEP)特性提供了對(duì)此類惡意攻擊的防護(hù)。如果啟用了DEP，那么只有對(duì)那些真正需要執(zhí)行代碼的內(nèi)存區(qū)域，操作系統(tǒng)才會(huì)使用PAGE_EXECUTE_*保護(hù)屬性。其他保護(hù)屬性(最常見的就是PAGE_READWRITE)用于只應(yīng)該存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域(比如線程棧和應(yīng)用程序的堆)。

如果CPU試圖執(zhí)行某個(gè)頁面中的代碼，而該頁又沒有PAGE_EXECUTE_*保護(hù)屬性，那么CPU會(huì)拋出訪問違規(guī)異常。

系統(tǒng)還對(duì)Windows支持的結(jié)構(gòu)化異常處理機(jī)制(structured exception handling mechanism)做了更進(jìn)一步的保護(hù)，結(jié)構(gòu)化異常處理機(jī)制會(huì)在第23～25章詳細(xì)介紹。如果應(yīng)用程序在鏈接時(shí)使用了/SAFESEH開關(guān)，那么異常處理器會(huì)被注冊(cè)到映像文件中一個(gè)特殊的表中。這樣，當(dāng)將要執(zhí)行一個(gè)異常處理器時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)先檢查該處理器有沒有在表中注冊(cè)過，然后決定是否允許它執(zhí)行。

有關(guān)DEP的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問http://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=28022，可以在此找到Microsoft白皮書“03_CIF_Memory_Protection.DOC”。

13.6.1  寫時(shí)復(fù)制

在表13.3中列出的保護(hù)屬性中，除最后兩個(gè)屬性PAGE_WRITECOPY和PAGE_EXECUTE_WRITECOPY之外，其余的都不言自明。這兩個(gè)保護(hù)屬性存在的目的是為了節(jié)省內(nèi)存和頁交換文件的使用。Windows支持一種機(jī)制，允許兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程共享同一塊存儲(chǔ)器。因此，如果有10個(gè)記事本程序正在運(yùn)行，所有的進(jìn)程會(huì)共享應(yīng)用程序的代碼頁和數(shù)據(jù)頁。讓所有的應(yīng)用程序?qū)嵗蚕硐嗤?span id="wmqeeuq" class="GramE">存儲(chǔ)頁極大地提升了系統(tǒng)的性能，但另一方面，這也要求所有的應(yīng)用程序?qū)嵗荒茏x取其中的數(shù)據(jù)或是執(zhí)行其中的代碼。如果某個(gè)應(yīng)用程序?qū)嵗薷牟懭胍粋€(gè)存儲(chǔ)頁，那么這等于是修改了其他實(shí)例正在使用的存儲(chǔ)頁，最終將導(dǎo)致混亂。

為了避免此類混亂的發(fā)生，操作系統(tǒng)會(huì)給共享的存儲(chǔ)頁指定寫時(shí)復(fù)制屬性。當(dāng)系統(tǒng)把一個(gè).exe或.dll映射到一個(gè)地址空間的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算有多少頁面是可寫的。(通常，包含代碼的頁面被標(biāo)記為PAGE_EXECUTE_READ，而包含數(shù)據(jù)的頁面被標(biāo)記為PAGE_READWRITE。)然后系統(tǒng)會(huì)從頁交換文件中分配存儲(chǔ)空間來容納這些可寫頁面。除非應(yīng)用程序真的寫入可寫頁面，否則不會(huì)用到頁交換文件中的存儲(chǔ)器。

當(dāng)線程試圖寫入一個(gè)共享頁面時(shí)，系統(tǒng)會(huì)介入并執(zhí)行下面的操作。

(1)   系統(tǒng)在內(nèi)存中找到一個(gè)閑置頁面。注意，該閑置頁面的后備頁面來自頁交換文件，它是系統(tǒng)最初將模塊映射到進(jìn)程的地址空間時(shí)分配的。由于系統(tǒng)在第一次進(jìn)行映射的時(shí)候分配了所有可能需要的頁交換文件空間，這一步不可能失敗。

(2)   系統(tǒng)把線程想要修改的頁面內(nèi)容復(fù)制到在第1步中找到的閑置頁面。系統(tǒng)會(huì)給該閑置頁面指定PAGE_READWRITE或PAGE_EXECUTE_READWRITE保護(hù)屬性，系統(tǒng)不會(huì)對(duì)原始頁面的保護(hù)屬性和數(shù)據(jù)做任何修改。

(3)   然后，系統(tǒng)更新進(jìn)程的頁面表，這樣一來，原來的虛擬地址現(xiàn)在就對(duì)應(yīng)到內(nèi)存中一個(gè)新的頁面了。

系統(tǒng)在執(zhí)行這些步驟之后，進(jìn)程就可以訪問它自己的副本了。第17章將進(jìn)一步介紹存儲(chǔ)器共享和寫時(shí)復(fù)制。

此外，在預(yù)訂地址空間或調(diào)撥物理存儲(chǔ)器時(shí)，不能使用PAGE_WRITECOPY或PAGE_EXECUTE_WRITECOPY保護(hù)屬性。這樣做會(huì)導(dǎo)致調(diào)用VirtualAlloc失敗，此時(shí)調(diào)用GetLastError會(huì)返回錯(cuò)誤碼ERROR_INVALID_PARAMETER。這兩個(gè)屬性是操作系統(tǒng)在映射.exe或DLL映像文件時(shí)用的。

13.6.2  一些特殊的訪問保護(hù)屬性標(biāo)志

除了已經(jīng)介紹過的保護(hù)屬性之外，另外還有3個(gè)保護(hù)屬性標(biāo)志：PAGE_NOCACHE，PAGE_WRITECOMBINE和PAGE_GUARD。使用這些標(biāo)志時(shí)，只需將它們與除了PAGE_NOACCESS之外的任何其他保護(hù)屬性進(jìn)行按位或操作即可。

第一個(gè)保護(hù)屬性標(biāo)志PAGE_NOCACHE，用來禁止對(duì)已調(diào)撥的頁面進(jìn)行緩存。該標(biāo)志存在的主要目的是為了讓需要操控內(nèi)存緩沖區(qū)的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員使用，不建議將該標(biāo)志用于除此以外的其他用途。

第二個(gè)保護(hù)屬性標(biāo)志PAGE_WRITECOMBINE也是給驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員用的。它允許把對(duì)單個(gè)設(shè)備的多次寫操作組合在一起，以提高性能。

最后一個(gè)保護(hù)屬性標(biāo)志PAGE_GUARD，使應(yīng)用程序能夠在頁面中的任何一個(gè)字節(jié)被寫入時(shí)得到通知。這個(gè)標(biāo)志有一些巧妙的用法。Windows在創(chuàng)建線程棧時(shí)會(huì)用到它。有關(guān)該標(biāo)志的更多信息，請(qǐng)參閱第16章。

物理存儲(chǔ)器的提交與回收

　　在地址空間中保留一個(gè)區(qū)域后，并不能直接對(duì)其進(jìn)行使用，必須在把物理存儲(chǔ)器提交給該區(qū)域后，才可以訪問區(qū)域中的內(nèi)存地址。在提交過程中，物理存儲(chǔ)器是按頁面邊界和頁面大小的塊來進(jìn)行提交的。若要為一個(gè)已保留的地址空間區(qū)域提交物理存儲(chǔ)器，需要再次調(diào)用VirtualAlloc（）函數(shù)，所不同的是在執(zhí)行物理存儲(chǔ)器的提交過程中需要指定flAllocationType參數(shù)為MEM_COMMIT標(biāo)志，使用的保護(hù)屬性與保留區(qū)域時(shí)所用保護(hù)屬性一致。在提交時(shí)，可以將物理存儲(chǔ)器提交給整個(gè)保留區(qū)域，也可以進(jìn)行部分提交，由VirtualAlloc（）函數(shù)的lpAddress參數(shù)和dwSize參數(shù)指明要將物理存儲(chǔ)器提交到何處以及要提交多少物理存儲(chǔ)器。
與保留區(qū)域的釋放類似，當(dāng)不再需要訪問保留區(qū)域中被提交的物理存儲(chǔ)器時(shí)，提交的物理存儲(chǔ)器應(yīng)得到及時(shí)的釋放。該回收過程與保留區(qū)域的釋放一樣也是通過VirtualFree（）函數(shù)來完成的。在調(diào)用時(shí)為VirtualFree（）的dwFreeType參數(shù)指定MEM_DECOMMIT標(biāo)志，并在參數(shù)lpAddress和dwSize中傳遞用來標(biāo)識(shí)要解除的第一個(gè)頁面的內(nèi)存地址和要釋放的字節(jié)數(shù)。此回收過程同樣也是以頁面為單位來進(jìn)行的，將回收設(shè)定范圍所涉及到的所有頁面。下面這段代碼演示了對(duì)先前保留區(qū)域的提交過程，并在使用完畢后將其回收：

// 在地址空間中保留一個(gè)區(qū)域

LPBYTE bBuffer = (LPBYTE)VirtualAlloc(NULL, 65536, MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);

// 提交物理存儲(chǔ)器

VirtualAlloc(bBuffer, 65536, MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);

……

// 回收提交的物理存儲(chǔ)器

VirtualFree(bBuffer, 65536, MEM_DECOMMIT);

// 釋放已保留的區(qū)域

VirtualFree(bBuffer, 0, MEM_RELEASE);

　　由于未經(jīng)提交的保留區(qū)域?qū)嶋H是無法使用的，因此在編程過程中允許通過一次VirtualAlloc（）調(diào)用而完成對(duì)地址空間的區(qū)域保留及對(duì)保留區(qū)域的物理存儲(chǔ)器的提交。相應(yīng)的，回收、釋放過程也可由一次VirtualFree（）調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。上述代碼可按此方法改寫為：

// 在地址空間中保留一個(gè)區(qū)域并提交物理存儲(chǔ)器

LPBYTE bBuffer = (LPBYTE)VirtualAlloc(NULL, 65536, MEM_RESERVE | MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);

……

// 釋放已保留的區(qū)域并回收提交的物理存儲(chǔ)器

VirtualFree(bBuffer, 0, MEM_RELEASE | MEM_DECOMMIT); 

頁文件的使用

　　在前面曾多次提到物理存儲(chǔ)器，這里所說的物理存儲(chǔ)器并不局限于計(jì)算機(jī)內(nèi)存，還包括在磁盤空間上創(chuàng)建的頁文件，其存儲(chǔ)空間大小為計(jì)算機(jī)內(nèi)存和頁文件存儲(chǔ)容量之和。由于通常情況下磁盤存儲(chǔ)空間要遠(yuǎn)大于內(nèi)存的存儲(chǔ)空間，因此頁文件的使用對(duì)于應(yīng)用程序而言相當(dāng)于透明的增加了其所能使用的內(nèi)存容量。在使用時(shí)，由操作系統(tǒng)和CPU負(fù)責(zé)對(duì)頁文件進(jìn)行維護(hù)和協(xié)調(diào)。只有在應(yīng)用程序需要時(shí)才臨時(shí)將頁文件中的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存供應(yīng)用程序訪問之用，在使用完畢后再從內(nèi)存交換回頁文件。

進(jìn)程的虛擬地址空間

每個(gè)進(jìn)程都被賦予它自己的虛擬地址空間。對(duì)于3 2位進(jìn)程來說，這個(gè)地址空間是4 G B，因?yàn)?span lang="EN-US">3 2位指針可以擁有從0 x 0 0 0 0 0 0 0 0至0 x F F F F F F F F之間的任何一個(gè)值。這使得一個(gè)指針能夠擁有4 294 967 296個(gè)值中的一個(gè)值，它覆蓋了一個(gè)進(jìn)程的4 G B虛擬空間的范圍。對(duì)于6 4位進(jìn)程來說，這個(gè)地址空間是1 6 E B（1 01 8字節(jié)），因?yàn)?span lang="EN-US">6 4位指針可以擁有從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之間的任何值。這使得一個(gè)指針可以擁有18 446 744 073 709 551 616個(gè)值中的一個(gè)值，它覆蓋了一個(gè)進(jìn)程的1 6 E B虛擬空間的范圍。這是相當(dāng)大的一個(gè)范圍。

由于每個(gè)進(jìn)程可以接收它自己的私有的地址空間，因此當(dāng)進(jìn)程中的一個(gè)線程正在運(yùn)行時(shí)，該線程可以訪問只屬于它的進(jìn)程的內(nèi)存。屬于所有其他進(jìn)程的內(nèi)存則隱藏著，并且不能被正在運(yùn)行的線程訪問。

注意在Windows 2000中，屬于操作系統(tǒng)本身的內(nèi)存也是隱藏的，正在運(yùn)行的線程無法訪問。這意味著線程常常不能訪問操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。Windows 98中，屬于操作系統(tǒng)的內(nèi)存是不隱藏的，正在運(yùn)行的線程可以訪問。因此，正在運(yùn)行的線程常常可以訪問操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，也可以破壞操作系統(tǒng)（從而有可能導(dǎo)致操作系統(tǒng)崩潰）。在Windows 98中，一個(gè)進(jìn)程的線程不可能訪問屬于另一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存。

前面說過，每個(gè)進(jìn)程有它自己的私有地址空間。進(jìn)程A可能有一個(gè)存放在它的地址空間中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，地址是0 x 1 2 3 4 5 6 7 8，而進(jìn)程B則有一個(gè)完全不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放在它的地址空間中，地址是0 x 1 2 3 4 5 6 7 8。當(dāng)進(jìn)程A中運(yùn)行的線程訪問地址為0 x 1 2 3 4 5 6 7 8的內(nèi)存時(shí)，這些線程訪問的是進(jìn)程A的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)進(jìn)程B中運(yùn)行的線程訪問地址為0 x 1 2 3 4 5 6 7 8的內(nèi)存時(shí)，這些線程訪問的是進(jìn)程B的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。進(jìn)程A中運(yùn)行的線程不能訪問進(jìn)程B的地址空間中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。反之亦然。

當(dāng)你因?yàn)閾碛腥绱舜蟮牡刂房臻g可以用于應(yīng)用程序而興高采烈之前，記住，這是個(gè)虛擬地址空間，不是物理地址空間。該地址空間只是內(nèi)存地址的一個(gè)范圍。在你能夠成功地訪問數(shù)據(jù)而不會(huì)出現(xiàn)違規(guī)訪問之前，必須賦予物理存儲(chǔ)器，或者將物理存儲(chǔ)器映射到各個(gè)部分的地址空間。本章后面將要具體介紹這是如何操作的。

虛擬地址空間如何分區(qū)

每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間都要?jiǎng)澐殖筛鱾€(gè)分區(qū)。地址空間的分區(qū)是根據(jù)操作系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)方法來進(jìn)行的。不同的Wi n d o w s內(nèi)核，其分區(qū)也略有不同。表 1顯示了每種平臺(tái)是如何對(duì)進(jìn)程的地址空間進(jìn)行分區(qū)的。

表1 進(jìn)程的地址空間如何分區(qū)

1. NULL指針分區(qū)是NULL指針的地址范圍。
    對(duì)這個(gè)區(qū)域的讀寫企圖都將引發(fā)訪問違規(guī)。 
2. DOS/WIN16分區(qū)是98中專門用于16位的
    DOS和windows程序運(yùn)行的空間，所有的16
    位程序?qū)⒐蚕磉@個(gè)4M的空間。Win2000中不
    存在這個(gè)分區(qū)，16位程序也會(huì)擁有自己獨(dú)立的虛擬地址空間。有的文章中稱win2000中不能運(yùn)行16位程序，是不確切的。 
3.用戶分區(qū)是進(jìn)程的私有領(lǐng)域，Win2000中，程序的可執(zhí)行代碼和其它用戶模塊均加載在這里，內(nèi)存映射文件也會(huì)加載在這里。Win98中的系統(tǒng)共享DLL和內(nèi)存映射文件則加載在共享分區(qū)中。 
4.禁止訪問分區(qū)只有在win2000中有。這個(gè)分區(qū)是用戶分區(qū)和內(nèi)核分區(qū)之間的一個(gè)隔離帶，目的是為了防止用戶程序違規(guī)訪問內(nèi)核分區(qū)。 
5. MMF分區(qū)只有win98中有，所有的內(nèi)存映射文件和系統(tǒng)共享DLL將加載在這個(gè)地址。而2000中則將其加載到用戶分區(qū)。 
6. 內(nèi)核方式分區(qū)對(duì)用戶的程序來說是禁止訪問的，操作系統(tǒng)的代碼在此。內(nèi)核對(duì)象也駐留在此。
另外要說明的是，win98中對(duì)于內(nèi)核分區(qū)本也應(yīng)該提供保護(hù)的，但遺憾的是并沒有做到，因而98中程序可以訪問內(nèi)核分區(qū)的地址空間。
對(duì)于用戶分區(qū)，又可以細(xì)分成若干區(qū)域。（這些區(qū)域具體會(huì)在第四階段詳細(xì)剖析。因?yàn)檫@部分內(nèi)容牽扯到PE文件結(jié)構(gòu),只有學(xué)習(xí)并理解了PE文件結(jié)構(gòu)后，才能理解這部分內(nèi)容，為了便于后面的講解，在此講這部分區(qū)域先大致分為4塊：）

3 2位Windows 2000的內(nèi)核與6 4位Windows 2000的內(nèi)核擁有大體相同的分區(qū)，差別在于分區(qū)的大小和位置有所不同。另一方面，可以看到Windows 98下的分區(qū)有著很大的不同。下面讓我們看一下系統(tǒng)是如何使用每一個(gè)分區(qū)的。

NULL指針分配的分區(qū)—適用于Windows 2000和Windows 98

進(jìn)程地址空間的這個(gè)分區(qū)的設(shè)置是為了幫助程序員掌握N U L L指針的分配情況。如果你的進(jìn)程中的線程試圖讀取該分區(qū)的地址空間的數(shù)據(jù)，或者將數(shù)據(jù)寫入該分區(qū)的地址空間，那么C P U就會(huì)引發(fā)一個(gè)訪問違規(guī)。保護(hù)這個(gè)分區(qū)是極其有用的，它可以幫助你發(fā)現(xiàn)N U L L指針的分配情況。

C / C + +程序中常常不進(jìn)行嚴(yán)格的錯(cuò)誤檢查。例如，下面這個(gè)代碼就沒有進(jìn)行任何錯(cuò)誤檢查：

int* pnSomeInteger = (int*) malloc(sizeof(int));

*pnSomeInteger = 5;

如果m a l l o c不能找到足夠的內(nèi)存來滿足需要，它就返回N U L L。但是，該代碼并不檢查這種可能性，它認(rèn)為地址的分配已經(jīng)取得成功，并且開始訪問0 x 0 0 0 0 0 0 0 0地址的內(nèi)存。由于這個(gè)分區(qū)的地址空間是禁止進(jìn)入的，因此就會(huì)發(fā)生內(nèi)存訪問違規(guī)現(xiàn)象，同時(shí)該進(jìn)程將終止運(yùn)行。這個(gè)特性有助于編程員發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序中的錯(cuò)誤。

用戶方式分區(qū)—適用于Windows 2000和Windows 98

這個(gè)分區(qū)是進(jìn)程的私有（非共享）地址空間所在的地方。一個(gè)進(jìn)程不能讀取、寫入、或者以任何方式訪問駐留在該分區(qū)中的另一個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)。對(duì)于所有應(yīng)用程序來說，該分區(qū)是維護(hù)進(jìn)程的大部分?jǐn)?shù)據(jù)的地方。由于每個(gè)進(jìn)程可以得到它自己的私有的、非共享分區(qū)，以便存放它的數(shù)據(jù)，因此，應(yīng)用程序不太可能被其他應(yīng)用程序所破壞，這使得整個(gè)系統(tǒng)更加健壯。

在Windows 2000中，所有的. e x e和D L L模塊均加載這個(gè)分區(qū)。每個(gè)進(jìn)程可以將這些D L L加載到該分區(qū)的不同地址中（不過這種可能性很小）。系統(tǒng)還可以在這個(gè)分區(qū)中映射該進(jìn)程可以訪問的所有內(nèi)存映射文件

共享的MMF分區(qū)—僅適用于Windows 98

這個(gè)1 G B分區(qū)是系統(tǒng)用來存放所有3 2位進(jìn)程共享數(shù)據(jù)的地方。例如，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫K e r n e l 3 2 . d l l、A d v A P I 3 2 . d l l、U s e r 3 2 . d l l和G D I 3 2 . d l l等，全部存放在這個(gè)地址空間分區(qū)中，因此，所有3 2位進(jìn)程都能很容易同時(shí)訪問它們。系統(tǒng)還為每個(gè)進(jìn)程將D L L加載相同的內(nèi)存地址。此外，系統(tǒng)將所有內(nèi)存映射文件映射到這個(gè)分區(qū)中。

物理存儲(chǔ)器與頁文件

在較老的操作系統(tǒng)中，物理存儲(chǔ)器被視為計(jì)算機(jī)擁有的R A M的容量。換句話說，如果計(jì)算機(jī)擁有1 6 M B的R A M，那么加載和運(yùn)行的應(yīng)用程序最多可以使用1 6 M B的R A M。今天的操作系統(tǒng)能夠使得磁盤空間看上去就像內(nèi)存一樣。磁盤上的文件通常稱為頁文件，它包含了可供所有進(jìn)程使用的虛擬內(nèi)存

當(dāng)然，若要使虛擬內(nèi)存能夠運(yùn)行，需要得到C P U本身的大量幫助。當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問一個(gè)字節(jié)的內(nèi)存時(shí)， C P U必須知道這個(gè)字節(jié)是在R A M中還是在磁盤上。

從應(yīng)用程序的角度來看，頁文件透明地增加了應(yīng)用程序能夠使用的R A M（即內(nèi)存）的數(shù)量。如果計(jì)算機(jī)擁有6 4 M B的R A M，同時(shí)在硬盤上有一個(gè)100 MB的頁文件，那么運(yùn)行的應(yīng)用程序就認(rèn)為計(jì)算機(jī)總共擁有1 6 4 M B的R A M。

實(shí)際上并不擁有1 6 4 M B的R A M。相反，操作系統(tǒng)與C P U相協(xié)調(diào)，共同將R A M的各個(gè)部分保存到頁文件中，當(dāng)運(yùn)行的應(yīng)用程序需要時(shí)，再將頁文件的各個(gè)部分重新加載到R A M。由于頁文件增加了應(yīng)用程序可以使用的R A M的容量，因此頁文件的使用是視情況而定的。如果沒有頁文件，那么系統(tǒng)就認(rèn)為只有較少的R A M可供應(yīng)用程序使用。但是，我們鼓勵(lì)用戶使用頁文件，這樣他們就能夠運(yùn)行更多的應(yīng)用程序，并且這些應(yīng)用程序能夠?qū)Ω蟮臄?shù)據(jù)集進(jìn)行操作。最好將物理存儲(chǔ)器視為存儲(chǔ)在磁盤驅(qū)動(dòng)器（通常是硬盤驅(qū)動(dòng)器）上的頁文件中的數(shù)據(jù)。這樣，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序通過調(diào)用Vi r t u a l A l l o c函數(shù)，將物理存儲(chǔ)器提交給地址空間的一個(gè)區(qū)域時(shí)，地址空間實(shí)際上是從硬盤上的一個(gè)文件中進(jìn)行分配的。系統(tǒng)的頁文件的大小是確定有多少物理存儲(chǔ)器可供應(yīng)用程序使用時(shí)應(yīng)該考慮的最重要的因素， R A M的容量則影響非常小。

第一種情況中，線程試圖訪問的數(shù)據(jù)是在R A M中。在這種情況下， C P U將數(shù)據(jù)的虛擬內(nèi)存地址映射到內(nèi)存的物理地址中，然后執(zhí)行需要的訪問。線程試圖訪問的數(shù)據(jù)不在R A M中，而是存放在頁文件中的某個(gè)地方。這時(shí)，試圖訪問就稱為頁面失效， C P U將把試圖進(jìn)行的訪問通知操作系統(tǒng)。這時(shí)操作系統(tǒng)就尋找R A M中的一個(gè)內(nèi)存空頁。如果找不到空頁，系統(tǒng)必須釋放一個(gè)空頁。如果一個(gè)頁面尚未被修改，系統(tǒng)就可以釋放該頁面。但是，如果系統(tǒng)需要釋放一個(gè)已經(jīng)修改的頁面，那么它必須首先將該頁面從R A M拷貝到頁交換文件中，然后系統(tǒng)進(jìn)入該頁文件，找出需要訪問的數(shù)據(jù)塊，并將數(shù)據(jù)加載到空閑的內(nèi)存頁面。然后，操作系統(tǒng)更新它的用于指明數(shù)據(jù)的虛擬內(nèi)存地址現(xiàn)在已經(jīng)映射到R A M中的相應(yīng)的物理存儲(chǔ)器地址中的表。這時(shí)C P U重新運(yùn)行生成初始頁面失效的指令，但是這次C P U能夠?qū)⑻摂M內(nèi)存地址映射到一個(gè)物理R A M地址，并訪問該數(shù)據(jù)塊。

當(dāng)閱讀了上一節(jié)后，你必定會(huì)認(rèn)為，如果同時(shí)運(yùn)行許多文件的話，頁文件就可能變得非常大，而且你會(huì)認(rèn)為，每當(dāng)你運(yùn)行一個(gè)程序時(shí)，系統(tǒng)必須為進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)保留地址空間的一些區(qū)域，將物理存儲(chǔ)器提交給這些區(qū)域，然后將代碼和數(shù)據(jù)從硬盤上的程序文件拷貝到頁文件中已提交的物理存儲(chǔ)器中。

一、開始之前，讓我們來了解一下Windows中內(nèi)存管理的一些知識(shí):

1. 機(jī)器的物理內(nèi)存由兩部分組成。一部分為機(jī)器的主存RAM，也就是我們內(nèi)存條的大小；另一部分為虛擬內(nèi)存，它就在機(jī)器的硬盤上，以頁文件的形式存在。

2. 每個(gè)進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間，對(duì)于具有32位尋址能力的機(jī)器來說，這個(gè)虛擬空間的大小為4GB。現(xiàn)在我們使用的機(jī)器就是4GB。

3. 進(jìn)程的4GB虛擬地址空間又可以分成幾個(gè)部分，其中進(jìn)程真正私有的空間少于2GB（這段地址空間被稱作“用戶方式分區(qū)”），其余的2GB多空間都是給操作系統(tǒng)的，且這部分空間被所有的進(jìn)程共享。（參考Windows核心編程Chapter 13）

4. 為進(jìn)程“分配內(nèi)存”，這個(gè)概念可以細(xì)化：“保留一段地址空間”，“提交一段內(nèi)存空間”，“將內(nèi)存空間映射到主存”。在程序中我們通常所訪問的地址都必須是進(jìn)程地址空間中被保留和提交的那段地址空間。

4.1 “保留一段地址空間”：即從進(jìn)程的4GB地址空間中保留一段地址空間，這個(gè)過程通過VirtualAlloc函數(shù)完成，并把分配類型參數(shù)設(shè)置為MEM_RESERVE。這段空間的起始地址必須是系統(tǒng)分配粒度的整數(shù)倍，大小必須是系統(tǒng)頁面大小的整數(shù)倍。

4.2 “提交一段內(nèi)存空間”：即為進(jìn)程已保留的地址空間映射機(jī)器的物理內(nèi)存，這里要特別注意，所謂物理內(nèi)存一般并不是機(jī)器的主存，而只是機(jī)器的虛擬內(nèi)存。這個(gè)過程同樣又VirtualAlloc完成，只是把分配類型參數(shù)設(shè)置為MEM_COMMIT。這段空間的起始地址和大小都必須是頁面大小的整數(shù)倍。這樣進(jìn)程的對(duì)應(yīng)被提交的區(qū)域就被映射到機(jī)器的虛擬內(nèi)存上。

4.3 “將內(nèi)存空間映射到主存”：這點(diǎn)很重要，操作系統(tǒng)總是只有在進(jìn)程提交的頁面被訪問時(shí)才將相應(yīng)的頁面加載到主存中，同時(shí)修改進(jìn)程對(duì)應(yīng)頁面的地址空間映射。這時(shí)，進(jìn)程的地址空間中的對(duì)應(yīng)區(qū)域才和機(jī)器上的主存對(duì)應(yīng)起來。

Virtual Size：

      該指標(biāo)記錄了當(dāng)前進(jìn)程申請(qǐng)成功的其虛擬地址空間的總的空間大小，包括DLL/EXE占用的地址和通過VirtualAlloc API Reserve的Memory Space數(shù)量。請(qǐng)注意，該指標(biāo)包括保留的地址空間。

Private Bytes：

       該指標(biāo)記錄了進(jìn)程用戶方式分區(qū)地址空間中已提交的總的空間大小。無論是直接調(diào)用API申請(qǐng)的內(nèi)存，被Heap Manager申請(qǐng)的內(nèi)存，或者是CLR 的managed heap，都算在里面。

Working Set：

       該指標(biāo)記錄了所有映射到進(jìn)程虛擬地址空間的機(jī)器主存的大小，它不僅僅是用戶方式分區(qū)部分的映射，而是整個(gè)進(jìn)程地址空間的映射。即它同時(shí)包括內(nèi)核方式分區(qū)中映射到機(jī)器主存的部分。由4.3可知，在用戶方式分區(qū)部分只有在進(jìn)程提交的頁面被訪問時(shí)才將相應(yīng)的頁面加載到主存中。而對(duì)于該部分的大小總是系統(tǒng)頁面大小的整數(shù)倍。

       這里有一個(gè)問題，隨著進(jìn)程的不斷運(yùn)行，進(jìn)程被訪問的頁面將可能不斷增加，這是否意味著“Working Set”的大小會(huì)不斷的累加呢？顯然不是。在程序運(yùn)行過程中影響“Working Set”的因素包括：(1) 機(jī)器可用主存的大小 (2) 進(jìn)程本身“Working Set”的大小范圍。當(dāng)機(jī)器的可用主存小于一定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)釋放一些老的最近沒有被訪問的頁面，把這些頁面通過交換文件交換到機(jī)器的虛擬內(nèi)存中；當(dāng)Working Set的大小大于該進(jìn)程所設(shè)置的最大值時(shí)，同樣會(huì)把一些老的頁面交換到機(jī)器的虛擬內(nèi)存中。當(dāng)這些頁面下次再被訪問時(shí)，它們才加載到主存。

       由上可知，”Working Set“一定比”Private Bytes“小，因?yàn)樗皇?#8221;Private Bytes“對(duì)應(yīng)的地址空間中被加載到主存的那部分。

“Page Faults”

       該指標(biāo)和”Working Set“密切相關(guān)，當(dāng)進(jìn)程訪問某個(gè)頁面，而這個(gè)頁面卻不在主存中時(shí)，就要發(fā)生一次“Page Fault“，即進(jìn)程訪問非”Working Set“中的頁面時(shí)，發(fā)生一次”Page Fault“，同時(shí)系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)頁面加載到主存中。

       接下來的三個(gè)指標(biāo)是對(duì)”Working Set“的細(xì)化：

”WS Private“

       該指標(biāo)記錄了進(jìn)程”Working Set“中被該進(jìn)程所獨(dú)享的空間大小。

"WS Shareable"

       該指標(biāo)記錄了進(jìn)程”Working Set“中能與別的進(jìn)程共享的空間大小

”WS Shared“

       該指標(biāo)記錄了進(jìn)程”Working Set“中已經(jīng)與別的進(jìn)程共享的空間大小

”WS Shareable“和”WS Shared“兩個(gè)指標(biāo)乍一看令人感到疑惑，因?yàn)榧热?#8221;Working Set“屬于”Private Bytes“中的一部分，而”Private Bytes“是進(jìn)程私有的，為什么會(huì)有”WS Shareable“和”WS Shared“這兩項(xiàng)呢？

       認(rèn)真一想，其實(shí)很容易理解，比如兩個(gè)進(jìn)程都需要同一個(gè)DLL的支持，所以在進(jìn)程運(yùn)行過程中，這個(gè)DLL被映射到了兩個(gè)進(jìn)程的地址空間中，如果這個(gè)DLL的大小為4K，在兩個(gè)進(jìn)程中都要提交4K的虛擬地址空間來映射這個(gè)DLL。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)進(jìn)程訪問了這個(gè)DLL時(shí)，這個(gè)DLL被加載到機(jī)器主存中，這時(shí)，第二個(gè)進(jìn)程也要訪問該DLL，這時(shí)，系統(tǒng)就不會(huì)再加載一遍該DLL了，因?yàn)檫@個(gè)DLL已經(jīng)在主存中了。當(dāng)然上面所說的訪問僅僅是讀取的操作，如果這時(shí)候某個(gè)進(jìn)程要修改DLL對(duì)應(yīng)這段地址中的某個(gè)單元時(shí)，這時(shí)，系統(tǒng)必須為第二個(gè)進(jìn)程分配另外的新頁面，并把要修改位置對(duì)應(yīng)的頁面拷貝的這個(gè)新頁面，同時(shí)，第二個(gè)進(jìn)程中的這個(gè)DLL被映射到這個(gè)新頁面上。

       上面的分析中，DLL對(duì)應(yīng)的4K的內(nèi)存在第一個(gè)進(jìn)程中便是”WS Shareable“。另外，內(nèi)核方式分區(qū)中的所有代碼都是被所有進(jìn)程共享的，只要一個(gè)進(jìn)程訪問了這些頁面，則在所有的進(jìn)程的”Working Set“中都能體現(xiàn)。

三、下面我們來討論一下這些內(nèi)存指標(biāo)與進(jìn)程內(nèi)存消耗之間的關(guān)系

       在計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代不斷加速的今天，我們往往很少關(guān)注程序?qū)?nèi)存的消耗，除非程序的內(nèi)存消耗超出了我們的忍受范圍——大量的泄漏、運(yùn)行速度下降等。

       那么，當(dāng)我們?cè)?span id="wmqeeuq" class="GramE">測(cè)進(jìn)程的內(nèi)存使用量時(shí)，到底應(yīng)該使用哪個(gè)指標(biāo)能更好的反應(yīng)程序的內(nèi)存消耗呢？由于Windows自帶的Task Manager中的”Memory Usage“所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)就是”Working Set“，所以大部分人認(rèn)為該指標(biāo)能夠很好的反應(yīng)進(jìn)程的內(nèi)存使用量。

在得出結(jié)論之前，讓我們來分析一下以上的這些指標(biāo)：

就從”Working Set“開始吧。

”Working Set“：

       進(jìn)程中被加載到機(jī)器主存的所有頁面大小的和。它可細(xì)分為”WS Shareable“和”WS Shared“。進(jìn)程訪問頁面不再”Working Set“中時(shí)，會(huì)發(fā)生一次”Page Fault“且同時(shí)發(fā)生一次主存與虛擬內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換。綜上所述，我們可以得出結(jié)論：

(a)”Working Set“不是進(jìn)程內(nèi)存消耗的全部；

(b)所有進(jìn)程”Working Set“的和也不等有機(jī)器主存總的消耗量，因?yàn)榇嬖?#8221;Working Shareable“與別的進(jìn)程共享；

(c)”Working Set“太大會(huì)影響機(jī)器的運(yùn)行速度，因?yàn)?#8221;Working Set“太大會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的可用主存太少，從而導(dǎo)致將進(jìn)程的老頁面釋放到虛擬內(nèi)存，同時(shí)，進(jìn)程”Working Set“中的頁面減少后，使進(jìn)程發(fā)生”Page Fault“的頻率更高。因?yàn)樵谥鞔媾c虛擬內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)需要時(shí)間，所以機(jī)器的運(yùn)行速度要減慢。

(d)”Working Set“由于數(shù)據(jù)交換的存在，該指標(biāo)是動(dòng)態(tài)的，在測(cè)量的過程中會(huì)不斷變化。（變化的最小單位為4K）

       所以”Working Set“指標(biāo)強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)程對(duì)機(jī)器主存的消耗，不是進(jìn)程內(nèi)存的全部信息。

"Private Bytes"

       該指標(biāo)包含所有為進(jìn)程提交的內(nèi)存，包括機(jī)器主存和虛擬內(nèi)存，可以認(rèn)為它是進(jìn)程對(duì)物理內(nèi)存消耗，且該指標(biāo)相對(duì)來說更加穩(wěn)定。在程序產(chǎn)生內(nèi)存泄漏時(shí)，該值一定是不斷上漲的。

       綜上所述，個(gè)人更傾向于使用”Private Bytes“來定量進(jìn)程的內(nèi)存消耗和分析進(jìn)程的內(nèi)存泄漏。