13.1 Windows的虛擬地址空間安排

13.1.1虛擬地址空間的分區(qū)（即虛擬地址空間布局）

?

進(jìn)程的地址空間劃分

分區(qū)	x86 32位 Windows	3GB用戶模式下的x86 32位Windows	X64 64位 Windows	IA-64 64位 Windows
空指針賦值區(qū)	0x0000 0000 0x0000 FFFF	0x0000 0000 0x0000 FFFF	0x00000000 00000000 0x00000000 0000FFFF	0x00000000 00000000 0x00000000 0000FFFF
用戶模式分區(qū)	0x0001 0000 0x7FFE FFFF	0x0001 0000 0xBFFE FFFF	0x00000000 00010000 0x000007FF FFFEFFFF	0x00000000 00010000 0x000006FB FFFEFFFF
64KB禁入分區(qū)	0x7FFF 0000 0x7FFF FFFF	0xBFFF 0000 0xBFFF FFFF	0x000007FF FFFF0000 0x000007FF FFFFFFFF	0x000006FB FFFF0000 0x000006FB FFFFFFFF
內(nèi)核模式	0x8000 0000 0xFFFF FFFF	0xC000 0000 0xFFFF FFFF	0x00000800 00000000 0xFFFFFFFF FFFFFFFF	0x000006FC 00000000 0xFFFFFFFF FFFFFFFF

（1）空指針賦值分區(qū)

　　①為幫助程序員捕獲對空指針的賦值，當(dāng)線程試圖讀取或?qū)懭脒@一分區(qū)的內(nèi)存地址，就會引發(fā)訪問違規(guī)

　　②沒有任何辦法可以讓我們分配到位于這一地址區(qū)間的虛擬內(nèi)存。

（2）用戶模式分區(qū)

　?、龠M(jìn)程地址空間的駐地。對于應(yīng)用程序來說，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都保存在這一分區(qū)。

　　②32位下，默認(rèn)為2GB大小。打開/3GB開關(guān)時，可擴(kuò)大到3GB空間，但同時內(nèi)核空間縮小為1GB）

【x86 Windows下獲得更大的用戶模式分區(qū)】——修改Windows啟動配置數(shù)據(jù)（Boot Configuration Data，BCD）

　?、龠\(yùn)行BCDEdit.exe

　?、赽cdedit /set IncreaseUserVa 3072，就可以為進(jìn)程保留3GB用戶模式地址空間，IncreaseUserVa可接受的最小值為2048，即默認(rèn)的2GB。取消的話：bcdedit /deletevalue IncreaseUserVa。

　　③為了讓應(yīng)用程序可以訪問2GB以上的地址空間（特別地，早期的應(yīng)用程序是不允許這樣做的）。在鏈接時，可以打開/LARGEADDRESSAWARE鏈接開關(guān)。

【在64位Windows下得到2GB用戶模式分區(qū)】將32位應(yīng)用程序移植到64位環(huán)境下

　　①因大量使用32位指針開發(fā)程序，僅重新編譯程序會導(dǎo)致指針截斷錯誤和不正確的內(nèi)存訪問。但可以讓應(yīng)用程序在地址空間沙箱（Address space sandbox）中運(yùn)行，這也是默認(rèn)的情況，系統(tǒng)能夠保證高33位都為0的64地址截斷為32位，這樣進(jìn)程可用的地址空間就被限制在最底部的2GB中。

　?、诋?dāng)運(yùn)行64位應(yīng)用程序時，默認(rèn)下系統(tǒng)會保留用戶模式地址空間中在2GB以下（即最底部的2GB），這就是所謂的地址空間沙箱。這空間對于大多數(shù)的應(yīng)用程序來說是足夠的。

　　③為了讓64位應(yīng)用程序能夠訪問整個用戶地址空間，必須指定/LARGEADDRESSAWARE鏈接器開關(guān)來鏈接應(yīng)用程序。

（3）內(nèi)核模式分區(qū)

?　　操作系統(tǒng)代碼的駐地。與線程調(diào)度、內(nèi)存管理 、文件系統(tǒng)支持、網(wǎng)絡(luò)支持以及設(shè)備驅(qū)動程序相關(guān)的代碼都載入到這個分區(qū)中。該分區(qū)中的所有代碼和數(shù)據(jù)都為所有進(jìn)程共有，但這些代碼和數(shù)據(jù)都是被保護(hù)起來的，如果試圖在這分區(qū)的某個內(nèi)存地址讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)時，會引發(fā)訪問違規(guī)。

13.1.2 Windows內(nèi)存安排（時間上的安排）

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（1）每個應(yīng)用程序都有自己的4GB尋址空間。該空間可存放操作系統(tǒng)、系統(tǒng)DLL和用戶DLL代碼，它們之中有各種函數(shù)供應(yīng)用程序調(diào)用。再除去其他的一些空間，余下的是應(yīng)用程序的代碼、數(shù)據(jù)和可以分配的地址空間。

（2）不同應(yīng)用程序的線性地址空間是隔離的。雖然它們在物理內(nèi)存中同時存在，但在某個程序所屬的時間片中，其他應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)沒有被映射到可尋址的線性地址中，所以是不可訪問的。從編程的角度看，程序可供使用的4GB的尋址空間，而且這個空間是“私有的”

（3）DLL程序沒有自己的“私有”的空間。它們總是被映射到其他應(yīng)用程序的地址空間中，當(dāng)做其他應(yīng)用程序的一部分運(yùn)行。原因很簡單，如果它不和其他程序同屬一個地址空間，應(yīng)用程序就不能調(diào)用它。

（4）操作系統(tǒng)和系統(tǒng)DLL的代碼需要供每個應(yīng)用程序調(diào)用，所以在所有的時間片中都必須被映射；

（5）用戶程序只在自己所屬的時間片內(nèi)被映射。用戶DLL則有選擇地被映射。如程序B和C都調(diào)用了xxx.dll，那么物理內(nèi)存中xxx.dll(注意在內(nèi)存中已經(jīng)存在了！)的代碼在圖中的時間片2和n中被映射，其他時間片就不需要被映射。（當(dāng)然物理內(nèi)存中只需要一份xxx.dll的代碼）。

13.2?地址空間中的區(qū)域

（1）預(yù)定地址空間中的一塊區(qū)域（預(yù)訂：VirtualAlloc、釋放：VirtualFree）

　?、倨鹗嫉刂?#xff1a;分配粒度（一般是64K）的整數(shù)倍。（注意：分配粒度與CPU平臺有關(guān)，同時系統(tǒng)自己預(yù)訂的區(qū)域的起始地址不一定非得是64KB的整數(shù)倍，如系統(tǒng)為進(jìn)程環(huán)境塊（PEB）和線程環(huán)境塊（TEB）預(yù)定的區(qū)域地址就可能不是64KB的整數(shù)倍，但區(qū)域的大小仍是系統(tǒng)頁面大小的整數(shù)倍。應(yīng)用程序自己預(yù)訂的區(qū)域，）

　?、陬A(yù)定空間的區(qū)域的大小：系統(tǒng)頁面大小的整數(shù)倍（x86和x64的頁面大小為4KB，I64系統(tǒng)使用的頁面大小為8KB）

（2）將預(yù)訂區(qū)域提交物理存儲器

　?、偬峤粫r，可以只提交區(qū)域的一部分。如預(yù)訂64KB空間大小，但可以只提交第2、第4兩個頁面（同樣是調(diào)用VirtualAlloc函數(shù)，但傳入的是MEM_COMMIT類型的參數(shù)）。

　?、诔废峤?#xff1a;VirtualFree，并傳入MEM_DECOMMIT

13.3?物理存儲器和頁交換文件

（1）虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)：當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用VirtualAlloc函數(shù)將預(yù)訂的空間區(qū)域提交物理存儲器（物理內(nèi)存或頁交換文件）時，該空間實際上仍然不是從物理內(nèi)存而是頁交換文件中分配得到的，以后當(dāng)訪問該空間時，會因數(shù)據(jù)并不存在于物理內(nèi)存而發(fā)生訪問“頁面錯誤”，從而引發(fā)操作系統(tǒng)利用異常處理機(jī)制將虛擬地址空間真正映射到對應(yīng)的物理內(nèi)存中，如下圖所示。

?

（2）內(nèi)存映射文件：把硬盤上的文件映像（如一個.exe或DLL文件）作為虛擬內(nèi)存的一部分（注意是文件映射，而不是頁交換文件）。當(dāng)用戶要執(zhí)行一個可執(zhí)行文件時，系統(tǒng)會打開應(yīng)用程序?qū)?yīng)的.exe文件并計算出應(yīng)用程序的代碼和數(shù)據(jù)的大小。然后預(yù)訂一塊地址空間，并注明與該區(qū)域相關(guān)的存儲場所是.exe文件本身，而不是頁交換文件。這樣做可以將.exe的實際內(nèi)容用作程序預(yù)訂的地址空間區(qū)域，不僅載入程序速度快，而且可避免將為每個程序文件的代碼和數(shù)據(jù)復(fù)制到頁交換文件而造成頁交換文件過于龐大和臃腫。

13.4?頁面保護(hù)屬性

保護(hù)屬性	描述
PAGE_NOACCESS	不可訪問。試圖讀取、寫入或執(zhí)行頁面中的數(shù)據(jù)（代碼）時將引發(fā)訪問違規(guī)。
PAGE_READONLY	只讀。試圖寫入頁面或執(zhí)行頁面中的代碼將引發(fā)訪問違規(guī)
PAGE_READWRITE	讀寫屬性。試圖執(zhí)行頁面中的代碼將引發(fā)訪問違規(guī) 。
PAGE_EXECUTE	可執(zhí)行屬性。試圖讀取或?qū)懭腠撁鎸⒁l(fā)訪問違規(guī)。
PAGE_EXECUTE_READ	可讀、可執(zhí)行。讀圖寫入頁面將引發(fā)訪問違規(guī)。
PAGE_EXECUTE_READWRITE	可讀可寫可執(zhí)行。對頁面的任何操作都不會引發(fā)訪問違規(guī)
PAGE_WRITECOPY	①寫時復(fù)制。試圖執(zhí)行頁面中的代碼將引發(fā)訪問違規(guī)。 ②試圖寫入頁面將使系統(tǒng)為進(jìn)程單獨創(chuàng)建一份該頁面私有副本（以頁交換文件為后備存儲器）
PAGE_EXECUTE_WRITECOPY	對頁面執(zhí)行任何操作都不會引發(fā)訪問違規(guī)。試圖寫入頁面將使系統(tǒng)為進(jìn)程單獨創(chuàng)建一份該頁面私有副本（以頁交換文件為后備存儲器）

★注意：如果Windows啟用了數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)（Data Execution Protection，DEP），當(dāng)CPU試圖執(zhí)行某個頁面中的代碼，而該頁面又沒有PAGE_EXECUTE_*保護(hù)屬性，那么CPU會拋出訪問違規(guī)異常。（DEP開啟方法：我的電腦→右鍵“屬性”→高級系統(tǒng)設(shè)置→性能→設(shè)置→數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)，選中“僅為基本W(wǎng)indows程序和服務(wù)啟用DEP”）

13.4.1?寫時復(fù)制

（1）寫時復(fù)制屬性的作用：節(jié)省內(nèi)存和頁交換文件的使用

Windows提供一種機(jī)制，允許兩個或兩個以上的進(jìn)程共享一塊存儲器。如10個記事本進(jìn)程正在運(yùn)行，所有的進(jìn)程會共享應(yīng)用程序的代碼頁和數(shù)據(jù)頁。當(dāng)只讀或執(zhí)行時，這種共享存儲頁的方式極大地提高了性能。但當(dāng)某個實例寫入一個存儲頁時，就要求給共享的存儲頁指定寫時復(fù)制屬性，這樣在映射地址空間時，系統(tǒng)會計算有多少可寫頁面，然后從頁交換文件中分配空間來容納這些可寫頁面，在程序真正寫入的時候，就存儲在頁交換文件中。

（2）寫入共享頁面時，系統(tǒng)介入的操作

　?、?strong>系統(tǒng)在內(nèi)存中找到一個空閑頁面。注意，該空閑頁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)程的地址空間時分配的。由于是第1次映射時就分配了所需的頁交換文件空間。所以這步不可能失敗。

　?、谙到y(tǒng)將要修改的頁面內(nèi)容復(fù)制到第1步找到的空閑頁面，然后給這些空閑頁面指定PAGE_READWRITE或PAGE_EXECUTE_READWRITE屬性。（注意系統(tǒng)不會修改原始頁面的保護(hù)屬性和數(shù)據(jù)）

　　③然后系統(tǒng)更新進(jìn)程的頁面表，這樣，原來的虛擬地址現(xiàn)在就對應(yīng)到內(nèi)存中一個新的頁面了。以后進(jìn)程就可以訪問它自己的副本了。

（3）在預(yù)訂地址空間或提交物理存儲器時，不能使用PAGE_WRITECOPY或PAGE_EXECUTE_WRITECOPY保護(hù)屬性，否則VirtualAlloc會失敗，GetLastError將返回ERROR_INVALID_PARAMETER。

13.4.2?一些特殊的訪問保護(hù)屬性標(biāo)志

保護(hù)屬性	描述
PAGE_NOCACHE	禁止對己提交的頁面進(jìn)行緩存。該標(biāo)志的目的是為了讓需要操控內(nèi)存緩沖區(qū)的驅(qū)動程序開發(fā)人員使用。一般不建議用將這標(biāo)志用于除此以外的其他用途。
PAGE_WRITECOMBINE	允許把單個設(shè)備的多次寫操作組合在一起，以提高性能。也是給驅(qū)動程序開發(fā)人員用的。
PAGE_GUARD	使應(yīng)用程序能夠在頁面中的任何一個字節(jié)被寫入時得到通知。

13.5?實例分析

13.5.1?各區(qū)域分析

……

?

?……

（1）基地址：

　?、購?x0000 0000開始，到0x7FFE 0000+ FFFF結(jié)束。

　?、趲缀跛械姆强臻e區(qū)域的基地址都是64KB的整數(shù)倍（這是由系統(tǒng)地址空間的分配粒度決定的）。如果不是64KB的整數(shù)倍，這意味著該區(qū)域是由操作系統(tǒng)以進(jìn)程名義分配的。

（2）區(qū)域類型

類型	描述
Free(空閑)	區(qū)域的虛擬地址沒有任何后備存儲器。該地址空間尚未預(yù)訂，應(yīng)用程序可以從基地址開始預(yù)訂，也可以從空閑區(qū)域內(nèi)的任何地方開始預(yù)訂區(qū)域
Private(私有)	區(qū)域的虛擬地址以系統(tǒng)的頁交換文件為后備存儲器
Image(映像)	一開始以映像文件（如exe或DLL）為后備存儲器，但以后不一定以映像文件為后備存儲器（如程序?qū)懭胗诚裎募幸粋€全局變量，那么寫時復(fù)制會改用頁交換文件來作為后備存儲器）（映射文件可理解為exe或dll文件）
Mapped(己映射)	一開始以內(nèi)存映射文件為后備存儲器，此后不一定以內(nèi)存映像文件為后備存儲器。（如內(nèi)存映射文件可能會使用寫時復(fù)制保護(hù)屬性。任何寫操作會使對應(yīng)的頁面改用頁交換文件來作為后備存儲器）

? ★注意：對于每個區(qū)域整體而言，該區(qū)域的類型是推測出來的（除空閑外），詳細(xì)見13.5.2節(jié)《區(qū)域內(nèi)部》的內(nèi)容。

（3）區(qū)域預(yù)訂的字節(jié)數(shù)

　?、偈冀K是CPU頁面大小的整數(shù)倍（對于x86為4字節(jié)，即4096的倍數(shù)）

　?、跒榱斯?jié)省磁盤空間，鏈接器會盡可能對對PE文件進(jìn)行壓縮，所以磁盤上的文件大小與映射到內(nèi)存所需要的字節(jié)數(shù)是有差異的。

（4）預(yù)訂區(qū)域內(nèi)部的塊的數(shù)量(block)

　　①塊是一些連續(xù)的頁面，這些頁面具有相同的保護(hù)屬性，并以相同類型的物理存儲器為后備存儲器。對閑置頁面來說，由于不可能將存儲器撥給他們，該值始終為0。

　　②每個區(qū)域最大能容納的塊的數(shù)量為：區(qū)域大小/頁面大小，即當(dāng)每個頁面都是一個不同的塊時，這里塊的數(shù)量最多。

（5）區(qū)域的保護(hù)屬性：

　　①E=execute,R=read,W=Write,C=copy on write。如果區(qū)域沒有顯示任保護(hù)屬性，表示該區(qū)域沒有任何訪問保護(hù)。閑置區(qū)域沒有與之相關(guān)聯(lián)的保護(hù)屬性。

　?、赑AGE_GAUARD和PAGE_ONCACHE標(biāo)志對地址空間沒有意義，這些標(biāo)志只有當(dāng)用于物理存儲時才有意義。

　?、廴绻瑫r給區(qū)域和物理存儲器指定了保護(hù)屬性，那么以后者為準(zhǔn)。（見區(qū)域內(nèi)部一節(jié)的分析）

13.5.2?區(qū)域內(nèi)部——以0x767F000所在區(qū)域為例（本例中用來裝載User32.dll的區(qū)域）

? 基地址	類型	大小	塊數(shù)	保護(hù)屬性	描述
…	…	…	…	…	…
767F0000 ?? 767F0000 ?? 767F1000 ?7685A000 7685B000 7685C000	映像 映像 映像 映射 映像 映像	647168 4096 430080 4096 4096 40960	5 ? ? ?	ERWC -R—（只讀） ER—（可執(zhí)行，可讀） -RW—(可讀可寫) -RWC- -R-—	C:\Windows\system32\USER32.dll ? //提交了105個頁面(430080/4096)
7688E0000	空閑	8192	?	?	?
…	…	…	…	…	…

（1）第1列顯示的是具有相同狀態(tài)和保護(hù)屬性的一組頁面的地址。如第1組只讀，第2組可執(zhí)行可讀，第3組可讀可寫。

（2）第2列塊的類型，即以何種類型的物理存儲器為后備存儲器。Private、Mapped、Image分別表示以頁交換文件、內(nèi)存映射文件和加載的Exe（或Dll）文件為后備存儲器。但Free和Reserved表示該塊沒有后備物理存儲器。

（3）第3列：塊的大小。一個區(qū)域中所有的塊都是連續(xù)的，不會存在任何的間隙。

（4）第4列：所預(yù)訂區(qū)域內(nèi)部中塊的數(shù)量

（5）第5列：塊的頁保護(hù)屬性：一個塊的保護(hù)屬性會優(yōu)先于所屬區(qū)域的保護(hù)屬性。（注意：PAGE_GUARD、PAGE_NOCACHE、PAGE_WRITECOMBINE保護(hù)屬性只能用于塊（即物理存儲器，不能用于區(qū)域）。（注意：區(qū)域可以理解為預(yù)訂的地址空間，塊可以理解為在這個預(yù)訂的地址空間中進(jìn)一步細(xì)分出來的更小的一片地址空間）。

13.6?數(shù)據(jù)對齊的重要性

（1）數(shù)據(jù)對齊：將數(shù)據(jù)的地址 % 數(shù)據(jù)大小 = 0時的數(shù)據(jù)是對齊的。

（2）x86CPU對錯位數(shù)據(jù)的處理

　?、貳FLAGS寄存器的AC標(biāo)志位（AlignmentCheck）為0時，CPU自動執(zhí)行必要的操作來訪問錯位數(shù)據(jù)）

　?、贏C標(biāo)志位為1時，如果試圖訪問錯位數(shù)據(jù)，CPU會觸發(fā)INT 17H中斷。（對于x86版本的Windows從來不變?yōu)锳C標(biāo)志位（即永遠(yuǎn)為0），因此x86處理器上運(yùn)行應(yīng)用程序，絕對不會發(fā)生數(shù)據(jù)錯位的異常，但I(xiàn)A-64CPU處理器不能自己處理數(shù)據(jù)錯誤的錯誤，因此當(dāng)訪問錯位數(shù)據(jù)時，會拋出一個EXECPTION_DATATYPE_MISALIGNMENT異常，我們通用SetErrorMode函數(shù)并傳為SEM_NOALIGNMENTFAULTEXCEPT標(biāo)志，讓系統(tǒng)自動修正數(shù)據(jù)錯位的錯誤。（注意傳入這個標(biāo)志會影響進(jìn)程中所有的線程，而且這個錯誤模式會被進(jìn)程的子進(jìn)程繼承）

（3）編譯器對錯位數(shù)據(jù)的處理

　?、買A-64版本的VC/C++編譯器支持__unaligned關(guān)鍵字

　　　　如DWORD dw = *(__unaligned DWORD*)pvDataBuffer;

　?、趚86版本的VC/C++編譯器：不支持__nnaligned關(guān)鍵字，所以這個關(guān)鍵字在x86版本的編譯器下會報錯。

　?、坭b于編譯器對__unaligned有不同的支持，為代碼的通用性，建議用UNALIGNED和UNLIGNED64宏來替換__unaligned。

#if defined(_M_MRX000) || defined(_M_ALPHA) || defined(_M_PPC) ||defined(_M_IA64) || defined(_M_AMD64)#define ALIGNMENT_MACHINE#define UNALIGNED __unaligned#if defined(_WIN64)#define UNALIGNED64 __unaligned#else#define UNALIGNED64#endif #else#undef ALIGNMENT_MACHINE#define UNALIGNED#define UNALIGNED64#endif

?【AlignOf程序】內(nèi)存對齊演示程序

#include <windows.h> #include <tchar.h> #include <locale.h>//在MSVC中，一般使用#progma pack來指定內(nèi)存對齊： #pragma pack(show) //以警告信息的形式顯示當(dāng)前字節(jié)對齊的值(在編譯輸出框顯示) //默認(rèn)的8字節(jié)對齊 struct BYTE1{char ch1;int i1; };#pragma pack(push) #pragma pack(1) #pragma pack(show) struct BYTE2{char ch2;int i2; }; #pragma pack(pop)//微軟的__declspec(align(#))，其#的內(nèi)容可以是預(yù)編譯宏，但不能是編譯期數(shù)值 struct __declspec(align(1)) BYTE3{char ch3;int i3; };VOID AlignTest(PVOID pvDataBuffer){char *pc = (PCHAR)pvDataBuffer;pc++; //指向第2個字節(jié)//未對齊方式訪問：將第2-5個字節(jié)當(dāng)成DWORD來看待,此時內(nèi)存沒對齊，//因為DWORD的起始地址而是4的倍數(shù)DWORD dwUnAligned = *(DWORD*)(pc);_tprintf(_T("dwUnAligned=0x%08X\n"), dwUnAligned);//用對齊方式訪問，效率更高DWORD dwAligned = *(UNALIGNED DWORD*)pc;//*(DWORD*)pc;_tprintf(_T("dwAligned =0x%08X\n"), dwAligned); }int _tmain(){char c[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };AlignTest((PVOID)c);//內(nèi)存對齊size_t sz1 = sizeof(BYTE1); size_t sz2 = sizeof(BYTE2);size_t sz3 = sizeof(BYTE2);_tprintf(_T("sizeof(BYTE1)==%d\n"), sz1);_tprintf(_T("sizeof(BYTE2)==%d\n"), sz2);_tprintf(_T("sizeof(BYTE3)==%d\n"), sz3);//MSVC使用__alignof獲得結(jié)構(gòu)體中最大成員變量的對齊大小，即結(jié)構(gòu)體的對齊大小sz1 = __alignof(BYTE1); //最大成員為i1，對齊大小應(yīng)為4sz2 = __alignof(BYTE2); //最大成員為ch2，對齊大小應(yīng)為1sz3 = __alignof(BYTE3); //最大成員為i3，對齊大小應(yīng)為4_tprintf(_T("__alignof(BYTE1)==%d\n"), sz1);_tprintf(_T("__alignof(BYTE2)==%d\n"), sz2);_tprintf(_T("__alignof(BYTE3)==%d\n"), sz3);return 0; }

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的windows内存结构概述的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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