虛擬地址空間映射到物理地址空間
虛擬地址空間映射到物理地址空間
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虛擬地址空間映射到物理地址空間參考如下
當(dāng)處理器讀或?qū)懭雰?nèi)存位置時(shí)，它會(huì)使用虛擬地址。作為讀或?qū)懖僮鞯囊徊糠?，處理器將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。通過虛擬地址訪問內(nèi)存有以下優(yōu)勢：
程序可以使用一系列相鄰的虛擬地址來訪問物理內(nèi)存中不相鄰的大內(nèi)存緩沖區(qū)。
程序可以使用一系列虛擬地址來訪問大于可用物理內(nèi)存的內(nèi)存緩沖區(qū)。當(dāng)物理內(nèi)存的供應(yīng)量變小時(shí)，內(nèi)存管理器會(huì)將物理內(nèi)存頁(通常大小為 4 KB)保存到磁盤文件。數(shù)據(jù)或代碼頁會(huì)根據(jù)需要在物理內(nèi)存與磁盤之間移動(dòng)。
不同進(jìn)程使用的虛擬地址彼此隔離。一個(gè)進(jìn)程中的代碼無法更改正在由另一進(jìn)程或操作系統(tǒng)使用的物理內(nèi)存。
進(jìn)程可用的虛擬地址范圍稱為該進(jìn)程的“虛擬地址空間”。每個(gè)用戶模式進(jìn)程都有其各自的專用虛擬地址空間。 對于 32 位進(jìn)程，虛擬地址空間通常為 2 GB，范圍從 0x00000000 至 0x7FFFFFFF。對于 64 位進(jìn)程，虛擬地址空間為 8 TB，范圍從 0x000'00000000 至 0x7FF'FFFFFFFF。一系列虛擬地址有時(shí)稱為一系列“虛擬內(nèi)存”。
此圖說明了虛擬地址空間的一些重要功能。
該圖顯示了兩個(gè) 64 位進(jìn)程的虛擬地址空間：Notepad.exe 和 MyApp.exe。每個(gè)進(jìn)程都有其各自的虛擬地址空間，范圍從 0x000'0000000 至 0x7FF'FFFFFFFF。每個(gè)陰影框都表示虛擬內(nèi)存或物理內(nèi)存的一個(gè)頁面(大小為 4 KB)。注意，Notepad 進(jìn)程使用從 0x7F7'93950000 開始的虛擬地址的三個(gè)相鄰頁面。但虛擬地址的這三個(gè)相鄰頁面會(huì)映射到物理內(nèi)存中的非相鄰頁面。而且還注意，兩個(gè)進(jìn)程都使用從 0x7F7'93950000 開始的虛擬內(nèi)存頁面，但這些虛擬頁面都映射到物理內(nèi)存的不同頁面。
用戶空間和系統(tǒng)空間
諸如 Notepad.exe 和 MyApp.exe 的進(jìn)程在用戶模式下運(yùn)行。核心操作系統(tǒng)組件和多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序在更有特權(quán)的內(nèi)核模式下運(yùn)行。有關(guān)處理器模式的詳細(xì)信息，請參閱用戶模式和內(nèi)核模式。每個(gè)用戶模式進(jìn)程都有其各自的專用虛擬地址空間，但在內(nèi)核模式下運(yùn)行的所有代碼都共享稱為“系統(tǒng)空間”的單個(gè)虛擬地址空間。當(dāng)前用戶模式進(jìn)程的虛擬地址空間稱為“用戶空間”。
在 32 位 Windows 中，可用的虛擬地址空間共計(jì)為 2^32 字節(jié)(4 GB)。通常較下的 2 GB 用于用戶空間，較上的 2 GB 用于系統(tǒng)空間。
在 32 位 Windows 中，你可以指定(在啟動(dòng)時(shí))超過 2 GB 用于用戶空間。結(jié)果是系統(tǒng)空間可用的虛擬地址更少?？梢詫⒂脩艨臻g的大小增至 3 GB，在這種情形下系統(tǒng)空間僅有 1 GB。若要增大用戶空間的大小，請使用 BCDEdit /set increaseuserva。
在 64 位 Windows 中，虛擬地址空間的理論大小為 2^64 字節(jié)(16 百億億字節(jié))，但實(shí)際上僅使用 16 百億億字節(jié)范圍的一小部分。范圍從 0x000'00000000 至 0x7FF'FFFFFFFF 的 8 TB 用于用戶空間，范圍從 0xFFFF0800'00000000 至 0xFFFFFFFF'FFFFFFFF 的 248 TB 的部分用于系統(tǒng)空間。
用戶模式下運(yùn)行的代碼可以訪問用戶空間，但不能訪問系統(tǒng)空間。此限制可防止用戶模式代碼讀或更改受保護(hù)的操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)核模式下運(yùn)行的代碼既可以訪問用戶空間，也可以訪問系統(tǒng)空間。即，在內(nèi)核模式下運(yùn)行的代碼可以訪問系統(tǒng)空間和當(dāng)前用戶模式進(jìn)程的虛擬地址空間。
在內(nèi)核模式下運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)程序必須在直接從用戶空間地址中讀取或?qū)懭脒@些地址時(shí)非常小心。此方案說明了原因。
用戶模式程序發(fā)起從設(shè)備讀取某些數(shù)據(jù)的請求。程序提供緩沖區(qū)的起始地址以接收數(shù)據(jù)。
在內(nèi)核模式下運(yùn)行的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序例程啟動(dòng)讀取操作并將控制權(quán)返回到其調(diào)用程序。
然后，設(shè)備中斷了當(dāng)前運(yùn)行的任何線程以顯示讀取操作完成。 中斷由在此任意線程上運(yùn)行的內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序例程進(jìn)行處理，該例程屬于任意進(jìn)程。
此時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序不得將數(shù)據(jù)寫入用戶模式程序在步驟 1 中提供的開始地址。此地址位于發(fā)起請求的進(jìn)程的虛擬地址空間，該進(jìn)程可能很大程度上不同于當(dāng)前進(jìn)程。
虛擬地址(Virtual Address Space)
Win32通過一個(gè)兩層的表結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)地址映射，因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程都擁有私有的4G的虛擬內(nèi)存空間，相應(yīng)的，每個(gè)進(jìn)程都有自己的層次表結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其地址映射。
第一層稱為頁目錄，實(shí)際就是一個(gè)內(nèi)存頁，Win32的內(nèi)存頁有4KB大小，這個(gè)內(nèi)存頁以4個(gè)字節(jié)分為1024項(xiàng)，每一項(xiàng)稱為“頁目錄項(xiàng)”(PDE);
第二層稱為頁表，這一層共有1024個(gè)頁表，頁表結(jié)構(gòu)與頁目錄相似，每個(gè)頁表也都是一個(gè)內(nèi)存頁，這個(gè)內(nèi)存頁以4KB的大小被分為1024項(xiàng)，頁表的每一項(xiàng)被稱為頁表項(xiàng)(PTE)，易知共有1024×1024個(gè)頁表項(xiàng)。每一個(gè)頁表項(xiàng)對應(yīng)一個(gè)物理內(nèi)存中的某一個(gè)“內(nèi)存頁”，即共有1024×1024個(gè)物理內(nèi)存頁，每個(gè)物理內(nèi)存頁為4KB，這樣就可以索引到4G大小的虛擬物理內(nèi)存。
如下圖所示(注下圖中的頁目錄項(xiàng)的大小應(yīng)該是4個(gè)字節(jié)，而不是4kB)：
Win32提供了4GB大小的虛擬地址空間。因此每個(gè)虛擬地址都是一個(gè)32位的整數(shù)值，也就是我們平時(shí)所說的指針，即指針的大小為4B。它由三部分組成，如下圖：
這三個(gè)部分的第一部分，即前10位為頁目錄下標(biāo)，用來尋址頁目錄項(xiàng)，頁目錄項(xiàng)剛好1024個(gè)。找到頁目錄項(xiàng)后，找對頁目錄項(xiàng)對應(yīng)的的頁表。第二部分則是用來在頁表內(nèi)尋址，用來找到頁表項(xiàng)，共有1024個(gè)頁表項(xiàng)，通過頁表項(xiàng)找到物理內(nèi)存頁。第三部分用來在物理內(nèi)存頁中找到對應(yīng)的字節(jié)，一個(gè)頁的大小是4KB，12位剛好可以滿足尋址要求。
具體的例子：
假設(shè)一個(gè)線程正在訪問一個(gè)指針(Win32的指針指的就是虛擬地址)指向的數(shù)據(jù)，此指針指為0x2A8E317F,下圖表示了這一個(gè)過程:
0x2A8E317F的二進(jìn)制寫法為0010101010_0011100011_000101111111，為了方便我們把它分為三個(gè)部分。
首先按照0010101010尋址，找到頁目錄項(xiàng)。因?yàn)橐粋€(gè)頁目錄項(xiàng)為4KB，那么先將0010101010左移兩位，001010101000(0x2A8)，用此下標(biāo)找到頁目錄項(xiàng)，然后根據(jù)此頁目錄項(xiàng)定位到下一層的某個(gè)頁表。
然后按照0011100011尋址，在上一步找到頁表中尋找頁表項(xiàng)。尋址方法與上述方法類似。找到頁表項(xiàng)后，就可以找到對應(yīng)的物理內(nèi)存頁。
最后按照000101111111尋址，尋找頁內(nèi)偏移。
上面的假設(shè)的是此數(shù)據(jù)已在物理內(nèi)存中，其實(shí)判斷訪問的數(shù)據(jù)是否在內(nèi)存中也是在地址映射過程中完成的。Win32系統(tǒng)總是假設(shè)數(shù)據(jù)已在物理內(nèi)存中，并進(jìn)行地址映射。頁表項(xiàng)中有一位標(biāo)志位，用來標(biāo)識(shí)包含此數(shù)據(jù)的頁是否在物理內(nèi)存中，如果在的話，就直接做地址映射，否則，拋出缺頁中斷，此時(shí)頁表項(xiàng)也可標(biāo)識(shí)包含此數(shù)據(jù)的頁是否在調(diào)頁文件中(外存)，如果不在則訪問違例，程序?qū)?huì)退出，如果在，頁表項(xiàng)會(huì)查出此數(shù)據(jù)頁在哪個(gè)調(diào)頁文件中，然后將此數(shù)據(jù)頁調(diào)入物理內(nèi)存，再繼續(xù)進(jìn)行地址映射。為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)進(jìn)程擁有私有4G的虛擬地址空間，也就是說每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的頁目錄和頁表結(jié)構(gòu)，對不同進(jìn)程而言，即使是相同的指針(虛擬地址)被不同的進(jìn)程映射到的物理地址也是不同的，這也意味著在進(jìn)程之間傳遞指針是沒有意義的。
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