Windows操作系统内存管理
2024-04-22 05:49:56
线性地址管理
Windows x86 进程空间地址划分
空指针赋值区:0x00000000~0x0000FFFF
用户模式区:0x00010000~0x7FFEFFFF
64KB禁入区:0x7FFF000~0X7FFFFFFF
内核:0x80000000~0xFFFFFFFF
特别说明:
1.线性地址有4G但未必都能访问。
2.所以需要记录，那些地方分配了
内存的分配
分配的内存可以分为两类，一类是VirtualAlloc分配的普通内存，
还有一类是Map映射（文件映射可以是Dll或者是EXE等）的内存。
内存属性
nt!MMVAD_FLAGS
+0x000 CommitCharge
+0x000 PhysicalMapping
+0x000 ImageMap //1镜像文件 0其他
+0x000 UserPhysicalPages
+0x000 NoChange
+0x000 WriteWatch
+0x000 Protection
// 1 READONLY 2 EXECUTE 3 EXECUTE_READ 4 READWITER
//5 WRITECOPY 6 EXECUTE_READWITER 7 EXECUTE_WRITECOPY
+0x000 LargePages
+0x000 MemCommit
+0x000 PrivateMemory //1=PrivateMemory 2=Map
Private Memory
线性地址分为两种内存
1.Mapped内存
通过VirtualAlloc/VirtualAllocEx申请的内存:Private Memory
2.Private内存
通过CreateFileMapping映射的:Mapped Memory
malloc、new、VirtualAlloc
在C++中new的底层实现就是malloc，实现的底层API是
HeapAlloc从堆中分配一块内存，堆的本质上就是操作系统
通过VirtualAlloc分配的一块很大的内存，在应用程序运行的
时候已经分配好了一些内存，HeapAlloc就是从这块分配好的
很大内存中拿一块来用。
全局变量是在编译完成之后存储在PE文件的节中的，是Mapped映射的，
在函数中使用的malloc或者New或者局部变量是系统提前使用VirtualAlloc
申请好的。
Mapped Memory
Mapped映射内存
Mapped之所要映射内存是因为有些内存内容是一样的，
如果每个进程都要单独的使用一模一样的内存就会造成不必要的浪费。
1.映射文件
2.映射物理页
将文件使用Mapped方式映射到内存中
主要使用CreateFileMapping和MapViewOfFile两个API
创建例子:
//内核对象:1物理页、2文件
HANDLE g_hMapFile=CreateFileMapping(INVALID_HANDLE_VALUE,NULL,PAGE_READWRITE,0,BUFSIZE,MapFileName(内核对象名称));
第一个参数指定欲在其中创建映射的一个文件句柄。0xFFFFFFFF（-1，即INVALID_HANDLE_VALUE）表示在页面文件中创建一个可共享的文件映射。
最后一个参数是内核对象名称，使用OpenFileMapping打开的便是该内核对象名称。
//将物理页与线性地址进行映射
LPTSTR g_lpBuff=(LPTSTR)MapViewOfFile(g_hMapFile,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,BUFSIZE);
*(PDWORD)g_lpBuff = 0x12345678
printf("A进程写入地址，内容:%p - %x",g_lpBuff,*(PWORD)g_lpBuff);
getchar();
打开例子:
使用OpenFileMapping和MapViewOfFing这两个API
HANDEL g_hMapFile=OpenFileMapping(FILE_MAP_ALL_ACCESS,FLASE,MapFileName(内核对象名称))；
MapFileName即最后一个参数是CreateFileMapping创建的内核对象名称。
//需要将g_hMapFile通过映射的方式映射到自己的内存才可以使用
LPTSTR g_lpBuff=(LPTSTR)MapViewOfFile(g_hMapFile,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,BUFSIZ);
printf("B进程读取%x",*(PDWORD)g_lpBuff);
getchar();
Mapped Exe EXECUTE_WRITECOPY 类型
这种类型一般是LoadLibrary映射的类型，而自己使用CreateFileMapping就没有Exe这个标记，
之所以是采用可执行可写拷贝标记是因为向kernel32或者ntdll这种dll可能会被篡改导致其他进程崩溃，
因此要有这种属性最重要的是拷贝属性，这样修改自身的kernel32或者ntdll就不会导致其他进程崩溃了，
COPY标记实际上是在你修改这个Mapping的时候给你重新分配一个内存你改的是那个地方的内存而不是
映射共享的kernel32等dll，之后线性地址指向新的物理页。
镜像文件
HMODULE hModule=LoadLibrary("C:\\NOTEPAD.EXE");
1.LoadLibray就是通过内存映射的方式实现的。
2.为了避免影响别人，属性为写拷贝。
物理页内存的管理
物理内存（已XP为例）
10-10-12分页 最多识别物理内存为4GB
2-9-9-12分页 最多识别物理内存为64GB
为什么在xp中2-9-9-12分页模式仍然无法超过4GB，
2003/2008的服务器系统32位就可以超过4GB，
实际上就是因为操作系统内核中的几个函数限制的。
实际物理内存=MmNumberOfPhysicalPages*4=物理内存。
物理内存如何管理
1.全局数组
数组指针:_MMPFN* MmPfnDataBase
数组长度:MmNumberOfPhysicalPages=上述的实际物理内存
2.nt!_MMPFN结构体
一个物理页对应一个MMPFN结构体，如果有一万个物理页就有一万个
对应MMPFN结构体，之后通过MmPfnDatabase结构体数组进行组织。
物理页状态
位于_MMPFN中u3->PageLocation属性（处于空闲状态的六种模式）
0:MmZeroedPageListHead 零化链表系统空闲的时候进行零化的，不是程序自己清零的那种。
1:MmFreePageListHead 空闲页空闲链表（物理页是周转使用的，刚释放的物理页是没有清0，系统空闲的时候
有专门的线程从这个队列摘去物理页，加以清0后在挂入MmZeroedPageListHead）
2:MmStandbyPageListHead 备用链表系统内存不够的时候，操作系统会把物理内存中的数据交换到硬盘上
此时页面不是直接挂到空闲链表上的，而是挂到备用链表上，虽然我释放了，
但里边的呢绒还是有意义的。
3:MmModifiedPageListHead
4:MmModifedNoWritePageListHead
5:MmBadPageListHead 坏链
无处不在的缺页异常
什么是缺页异常
缺页异常是PTE中P位当前页是否有效，当CPU访问一个地址，其PTE的P位为0，此时会产生缺页异常。
Windows操作系统中运行的进程中的线性地址对应的物理页并不是一直占用的，只有当前使用这个线性地址
才会有对应的物理页，一段时间不使用线性内存地址就会把相应的物理页内容挂在到硬盘上。
缺页异常与虚拟内存（缺页异常时刻都在发生）
当前物理页不足时，会使用虚拟内存的磁盘文件位于C盘根目录下隐藏叫做pagefile.sys，这个时候虚拟内存
的PTE的P位为0并触发缺页异常，当缺页异常检查时10-11位0 1-4 PFN* 12-14是页面文件偏移，这个时候
操作系统便知道并不是真的缺页，而是将对应的物理页挂在到了虚拟内存中也就是pagefile.sys的磁盘文件中，
之后将P位设置为1并将硬盘物理页读到对应的物理页当中。
EXECUTE_WRITECOPY 执行写拷贝
像kernel32这种dll都是通过映射的方式映射到其他进程内存中的，如果对一个其中一个进程的kernel32.dll做
Hook的话就会造成其他进程也会被Hook，Windows系统为了防止这种情况出现使用了特殊的机制。
实现过程:
1.PTE只读
2.VAD写拷贝
3.修改页内容触发异常
4.异常处理函数
5.发现VAD为写拷贝
6.创建一个新的
如果实现绕过这种机制呢，非常简单只需要修改当前物理页改成可读可写即可就不会触发异常，只需要修改
本身进程内的DLL就是可以实现对有所进程DLL的修改因为他们修改的是同一份物理页。
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