11、Windows API 記憶體管理（1）

一、相關概念

1、記憶體主要儲存程式運行時所需的機器代碼、資料等內容。

    記憶體的最小儲存單元是位元組，記憶體中的每一個位元組都有一個地址。在32位系統上，使用32位的數來表示記憶體位址，因此一共可以表示232 (4294967296-4G)個位元組。

2、地址

(1)地址空間。

    系統中所有可用的記憶體位址的集合稱為地址空間。比如，如果可以使用4GB的記憶體，那麼其地址空間就是0x00000000～0xFFFFFFFF。

(2)實體記憶體。

    硬體系統中真實存在的儲存空間稱為實體記憶體，實體記憶體的訪問通過硬體系統匯流排進行的。

    但不是每台32位的機器都具有4GB的物理地址空間，因此物理地址空間不一定是0x00000000～0xFFFFFFFF，比如在實體記憶體為1GB的系統上，就可能只有0x00000000～0x3FFFFFFF的地址可以使用。

(3)虛擬位址空間。

    為了訪問記憶體的統一和方便，作業系統允許其上啟動並執行程式訪問所有的4GB記憶體空間中的地址。因此作業系統必須進行一些必要的地址轉換工作，將程式訪問的地址轉換為實體記憶體中的真實物理地址，然後進行資料的存取。作業系統進行轉換後，供程式使用的地址空間稱為虛擬位址空間。在32位系統上，可以使用的虛擬位址空間大小是4GB。

    當然，由於虛擬位址空間可能比真實物理地址空間大，系統會將部分虛擬位址空間中的地址轉換為硬碟中的資料，在必要時將實體記憶體中的資料與硬碟中的資料進行交換。

    這種地址轉換和資料交換是通過分頁和分段機制實現的。

(4)進程的記憶體空間：使用者記憶體空間與核心記憶體空間。

    Windows作業系統中的每個進程都有屬於自己的虛擬位址空間。32位的Window作業系統將4GB（在64位系統上，這個值達到了8TB）的虛擬記憶體劃分為兩個部分，進程使用2GB，稱為使用者進程空間；核心使用2GB，稱為系統地址空間或核心地址空間（也可設定為使用者進程空間使用3GB，核心使用1GB，這裡只討論各為2GB的情況），使用者空間的位址範圍為0x00000000～0x7FFFFFFF，核心空間的位址範圍為0x80000000～0xFFFFFFFF。虛擬位址空間在進程上是封閉的，進程只能訪問屬於自己的地址空間，如果要訪問其他進程的地址空間需特殊的機制。

3、分頁與分段記憶體管理、記憶體映射與地址轉換

32位地址的高10位稱為頁目錄索引(Directory)、次10位稱為頁表索引(Table)，餘下的12位為位移(Offset)。如果只取前兩個部分的20位，末位補0，那麼其可能指向的地址都是4KB( 212)對齊的，也就是頁的基地址。所以32位中的前20位定位了頁的基地址(PFN)，而最後12位是地址在頁內的位移。

相當於先選定那本書，再選定那本書的頁數，再選中頁中的那行。

    在地址轉換的過程中，還涉及一個關鍵的系統寄存器CR3。CR3寄存器中的高12～32位儲存了頁目錄索引在實體記憶體中的地址。

地址轉換經過了如下過程。

(1)從CR3寄存器的12～32位中取出地址，末位補0，構成一個32位的地址，此地址是頁目錄所在實體記憶體的基地址（因此頁目錄在記憶體中肯定是4KB對齊的）。

(2)以線性地址中的高10位的頁目錄索引（Directory）中資料為位移，加上上一步得到的頁目錄所在實體記憶體的基地址，在頁目錄中找到相應的頁目錄項(PDE)。

(3)頁目錄項中包括了頁表的基地址，線性地址中的頁表索引(Table)是頁表中的位移，找到頁表項(PTE)。

(4)頁表項(PTE)中儲存的是物理地址空間中的頁面的地址(PFN)，如果PFN指向的頁面是無效的（不在實體記憶體中），那麼會在系統核心中引起頁錯誤，系統核心會進行頁面調度，將實體記憶體中暫不使用的頁面交換到硬碟中，將硬碟中需要訪問的頁面交換到實體記憶體中，使用PFN指向的頁是有效。

(5)現在已經找到了線性地址所對應的物理地址所在的頁的基址。

(6)在物理頁地址的基礎上，加上線性地址末12位的位移，可得到線性地址與物理地址的對應。

    從中可以看出地址轉換是以頁為單位的，也就是線性地址與所對應的物理地址的頁基地址(PFN)是會變化的，在頁內的位移地址是不會發生變化的。

    每一個頁目錄項對應了一個頁表，一共有210個頁目錄。每一個頁表項對應了一個記憶體分頁，每個頁表是最多可以表示210個頁表。最多一共是多有220個頁。