一、内存管理概念

1. 物理内存概念（Physical Memory Address）

PC上有三条总线，分别是数据总线、地址总线和控制总线。32位CPU的寻址能力为4GB（2的32次方）个字节。用户最多可以使用4GB的真实物理内存。PC中很多设备都提供了自己的设备内存。这部分内存会映射到PC的物理内存上，也就是读写这段物理地址，其实读写的是设备内存地址，而不是物理内存地址。
2. 虚拟内存概念
虽然可以寻址4GB的内存，但是PC中往往没有如此多的真实物理内存。操作系统和硬件（主要是CPU中的内存管理单元MMU）为使用者提供了虚拟内存的概念。Windows的所有程序可以操作的都是虚拟内存。对虚拟内存的所有操作最终都会被转换成对真实物理内存的操作。
CPU中有一个重要的寄存器CR0，它是一个32位寄存器，其中的PG位负责标记是否分页。Windows在启动前会将它设置为1，即允许分页。WDK中有一个宏PAGE_SIZE记录分页大小，一般为4KB。4GB的虚拟内存会被分割成1M个分页单元。
其中，有一部分单元会和物理内存对应起来，即虚拟内存中第N个分页单元对应着物理内存的第M个分页单元。这种对应不是一一对应，而是多对一的映射，多个虚拟内存页可以映射同一个物理内存页。还有一部分单元会被映射成磁盘上的一个文件，并被标记为“脏的（Dirty）”。读取这段虚拟内存的时候，系统会发出一个异常，此时会触发异常处理函数，异常处理函数会将这个页的磁盘文件读入内存，并将其标记设置为“不脏”。让经常不读写的内存页交换（Swap）成文件，并将此页设置为“脏”。还有一部分单元什么也没有对应，为空。
Windows如此设计是因为以下两种原因：
a. 虚拟的增加了内存的大小。
b. 使不同进程的虚拟内存互不干扰。
3. 用户态地址和内核态地址
虚拟地址在0~0x7fffffff范围内的虚拟内存，即低2GB的虚拟地址，被称为用户态地址。而0x80000000~0xffffffff范围内的虚拟内存，即高2GB的虚拟内存，被称为内核态地址。Windows规定运行在用户态（Ring3层）的程序只能访问用户态地址，而运行在内核态（Ring0层）的程序可以访问整个4GB的虚拟内存。
Windows的核心代码和Windows的驱动程序加载的位置都是在高2GB的内核地址中。Windows操作系统在进程切换时，保持内核态地址是完全相同的，即所有进程的内核地址映射完全一致，进程切换时只改变用户模式地址的映射。
4. Windows驱动程序和进程的关系
驱动程序类似于一个DLL，被应用程序加载到虚拟内存中，只不过加载地址是内核地址。它能访问的只是这个进程的虚拟内存，不能访问其他进程的虚拟地址。Windows驱动程序里的不同例程运行在不同的进程中。DriverEntry例程和AddDevice例程是运行在系统（System）进程中的。这个进程是Windows第一个运行的进程。当需要加载的时候，这个进程中会有一个线程将驱动程序加载到内核模式地址空间内，并调用DriverEntry例程。
其他的例程，如IRP的派遣函数会运行于应用程序的“上下文”中。“上下文”是指运行于某个进程的环境中，所能访问的虚拟地址是这个进程的虚拟地址。
在内核态通过调用PsGetCurrentProcess()函数得到当前IO活动的进程，它是EPROCESS的结构体，其中包含了进程的相关信息。由于微软没有公开EPROCESS结构体，所以不同的系统需要使用Windbg查看其具体的值。在Win XP SP2中这个结构的0x174偏移处记录了一个字符串指针，表示的是进程的映像名称。
5. 分页与非分页内存
Windows规定有些虚拟内存页面是可以交换到文件中的，这类内存被称为分页内存。而有些虚拟内存页永远也不会交换到文件中，这些内存被称为非分页内存。
当程序的中断请求级在DISPATCH_LEVEL之上时（包括DISPATCH_LEVEL层），程序只能使用非分页内存，否则将导致系统蓝屏死机。
在编译WDK提供的例程时，可以指定某个例程和某个全局变量是载入分页内存还是非分页内存，需要做如下定义：
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. #define PAGEDCODE code_seg("PAGE")
  3. #define LOCKEDCODE code_seg()
  4. #define INITCODE code_seg("INIT")
  5. #define PAGEDDATA code_seg("PAGE")
  6. #define LOCKEDDATA code_seg()
  7. #define INITDATA code_seg("INIT")
  8. //
如果将某个函数载入到分页内存中，我们需要在函数的实现中加入如下代码：
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. #pragma PAGEDCODE
  3. VOID SomeFunction()
  4. {
  5. PAGED_CODE();
  6. // Do any other things ....
  7. }
  8. //
其中，PAGED_CODE()是WDK提供的宏，只在check版本中生效。他会检测这个函数是否运行低于DISPATCH_LEVEL的中断请求级，如果等于或高于这个中断请求级，将产生一个断言。
如果让函数加载到非分页内存中，需要在函数的实现中加入如下代码：
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. #pragma LOCKEDCODE
  3. VOID SomeFunction()
  4. {
  5. // Do any other things ....
  6. }
  7. //
还有一些特殊的情况，当某个例程在初始化的时候载入内存，然后就可以从内存中卸载掉。这种情况特指在调用DriverEntry的时候。尤其是NT式驱动，它会很长，占用很大的空间，为了节省内存，需要及时的从内存中卸载掉。代码如下：
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. #pragma INITCODE
  3. extern "C" NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject, IN PUNICODE_STRING pRegistryPath)
  4. {
  5. // Do any other things ....
  6. }
  7. //
6. 分配内核内存
Windows驱动程序使用的内存资源非常珍贵，分配内存时要尽量节约。和应用程序一样，局部变量是存放在栈（Stack）空间中的。但是栈空间不会像应用程序那么大，所以驱动程序不适合递归调用或者局部变量是大型结构体。如果需要大型结构体，需要在堆（Heap）中申请。
堆中申请内存的函数有以下几个：
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. NTKERNELAPI
  3. PVOID
  4. ExAllocatePool(
  5. __drv_strictTypeMatch(__drv_typeExpr) __in POOL_TYPE PoolType,
  6. __in SIZE_T NumberOfBytes
  7. );
  8. NTKERNELAPI
  9. PVOID
  10. NTAPI
  11. ExAllocatePoolWithTag(
  12. __in __drv_strictTypeMatch(__drv_typeExpr) POOL_TYPE PoolType,
  13. __in SIZE_T NumberOfBytes,
  14. __in ULONG Tag
  15. );
  16. NTKERNELAPI
  17. PVOID
  18. ExAllocatePoolWithQuota(
  19. __drv_strictTypeMatch(__drv_typeExpr) __in POOL_TYPE PoolType,
  20. __in SIZE_T NumberOfBytes
  21. );
  22. NTKERNELAPI
  23. PVOID
  24. ExAllocatePoolWithQuotaTag(
  25. __in __drv_strictTypeMatch(__drv_typeExpr) POOL_TYPE PoolType,
  26. __in SIZE_T NumberOfBytes,
  27. __in ULONG Tag
  28. );
  29. //
● PoolType：枚举变量。如果为NonPagedPool，则分配非分页内存。如果为PagedPool，则分配分页内存。
● NumberOfBytes：分配内存的大小。注：最好是4的倍数。
● 返回值：分配内存的地址，一定是内核模式地址。如果返回0则代表分配失败。
以上四个函数功能类似。以WithQuota结尾的函数代表分配的时候按配额分配。以WithTag结尾的函数和ExAllocatePool功能类似，唯一不同的是多了一个tag参数，系统在要求的内存外额外地多分配了4字节的标签。在调试的时候，可以找到是否有标有这个标签的内存没有被释放。
以上4个函数都需要指定PoolType，分别可以指定如下几种：
● NonPagedPool：指定要求分配非分页内存。
● PagedPool：指定要求分配分页内存。
● NonPagedPoolMustSucceed：指定分配非分页内存，必须成功。
● DontUseThisType：未指定。
● NonPagedPoolCacheAligned：指定要求分配非分页内存，而且必须内存对齐。
● PagedPoolCacheAligned：指定分配分页内存，而且必须内存对齐。
● NonPagedPoolCacheAlignedMustS：指定分配非分页内存，而且必须对齐，且必须成功。
将分配的内存进行回收的函数是ExFreePool和ExFreePoolWithTag，他们的原型是：
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. NTKERNELAPI
  3. VOID
  4. ExFreePoolWithTag(
  5. __in __drv_freesMem(Mem) PVOID P,   // 要释放的地址
  6. __in ULONG Tag
  7. );
  8. #define ExFreePool(a) ExFreePoolWithTag(a,0)
  9. //
二、在驱动中使用链表
WDK提供了两种链表：单向链表、双向链表。
单项链表每个元素有一个Next指针指向下一个元素。双向链表每隔元素有两个指：：BLINK指向前一个元素，FLINK指向下一个元素。
1. 链表结构
[cpp] view plaincopy
  1. // WDK中定义的双向链表数据结构
  2. //
  3. //  Doubly linked list structure.  Can be used as either a list head, or
  4. //  as link words.
  5. //
  6. typedef struct _LIST_ENTRY {
  7. struct _LIST_ENTRY *Flink;
  8. struct _LIST_ENTRY *Blink;
  9. } LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY, *RESTRICTED_POINTER PRLIST_ENTRY;
  10. //
  11. //  Singly linked list structure. Can be used as either a list head, or
  12. //  as link words.
  13. //
  14. typedef struct _SINGLE_LIST_ENTRY {
  15. struct _SINGLE_LIST_ENTRY *Next;
  16. } SINGLE_LIST_ENTRY, *PSINGLE_LIST_ENTRY;
  17. //
2. 链表初始化
初始化链表头用InitializeListHead宏实现。让双向链表的两个指针都指向自己。
判断链表是否为空，只用判断链表指针是否指向自己即可。WDK提供了一个IsListEmpty。
程序员需要自己定义链表每个元素的数据类型，并将LIST_ENTRY结构作为自动以结构的一个子域。LIST_ENTRY的作用是将自定义的数据结构串成一个链表。
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. typedef struct _MYDATASTRUCT{
  3. // List Entry要作为_MYDATASTRUCT结构体的一部分
  4. LIST_ENTRY ListEntry;
  5. // 自己定义的数据
  6. ULONG x;
  7. ULONG y;
  8. };
  9. //
3. 从首部插入链表
在头部插入链表使用语句InsertHeadList。
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. InsertHeadList(&head, &mydata->ListEntry);
  3. //
head是LIST_ENTRY结构的链表头，mydata是用户定义的数据结构，它的子域ListEntry是包含其中的LIST_ENTRY数据结构。
4. 从尾部插入链表
在尾部插入链表使用语句InsertTailList。
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. InsertTailList(&head, &mydata->ListEntry);
  3. //
head是LIST_ENTRY结构的链表头，mydata是用户定义的数据结构，它的子域ListEntry是包含其中的LIST_ENTRY数据结构。
5. 从链表删除
从链表删除元素也是分两种。一种是从链表头部删除，一种是从链表尾部删除。分别队形RemoveHeadList和RemoveTailList函数。
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. PLIST_ENTRY pEntry = RemoveHeadList(&head);
  3. PLIST_ENTRY pEntry = RemoveTailList(&tail);
  4. //
head是链表头，pEntry是从链表删除下来的元素中的ListEntry。
如果用户自定义的数据结构第一个字段是LIST_ENTRY时，返回的指针可以强制转换为用户的数据结构指针。
如果第一个字段不是LIST_ENTRY时，需要减去偏移量。为了简化操作WDK提供了宏CONTAINING_RECORD，其用法如下：
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. PLIST_ENTRY pEntry = RemoveHeadList(&head);
  3. PIRP pIrp = CONTAINING_RECORD(pEntry, MYDATASTRUCT, ListEntry);
  4. //
ListEntry为自定义的数据结构指针。
三、 Lookaside结构
频繁申请和回收内存，会导致在内存上产生大量内存“空洞”，导致无法申请新的内存。WDK为程序员提供了Lookaside结构来解决此问题。
1. 频繁申请内存的弊端
频繁的申请与释放内存，会导致内存产生大量碎片。即使内存中有大量的可用内存，也会导致没有足够的连续内存空间而导致申请内存失败。在操作系统空闲的时候，系统会整理内存中的碎片，将碎片合并。
2. 使用Lookaside
Lookaside对象可以理解成一个内存容器。在初始的时候，它先向Windows申请量一块比较大的内存。以后程序员每次申请的时候就不直接向Windows申请内存了，而是直接向Lookaside对象申请呢村。Lookaside对象智能的避免产生内存碎片。
如果Lookaside内部内存不够用时它会向操作系统申请更多的内存。当Lookaside有大量内存未被使用时，它会让Windows回收部分内存。使用Lookaside申请内存效率要高于直接向Windows申请内存。
Lookaside一般在以下情况使用：
a. 程序员每次申请固定大小的内存；
b. 申请和回收操作非常频繁。
使用Lookaside对象，首先要进行初始化：
[cpp] view plaincopy
  1. // WDK提供的Lookaside初始化函数
  2. VOID ExInitializeNPagedLookasideList(
  3. IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside,
  4. IN PALLOCATE_FUNCTION  Allocate  OPTIONAL,
  5. IN PFREE_FUNCTION  Free  OPTIONAL,
  6. IN ULONG  Flags,
  7. IN SIZE_T  Size,
  8. IN ULONG  Tag,
  9. IN USHORT  Depth);
  10. VOID ExInitializePagedLookasideList(
  11. IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside,
  12. IN PALLOCATE_FUNCTION  Allocate  OPTIONAL,
  13. IN PFREE_FUNCTION  Free  OPTIONAL,
  14. IN ULONG  Flags,
  15. IN SIZE_T  Size,
  16. IN ULONG  Tag,
  17. IN USHORT  Depth);
  18. //
这两个函数分别是对非分页内存和分页内存的申请。内存回收可用以下函数
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. VOID
  3. ExFreeToNPagedLookasideList(
  4. IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside,
  5. IN PVOID  Entry);
  6. VOID
  7. ExFreeToPagedLookasideList(
  8. IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside,
  9. IN PVOID  Entry);
  10. //
它们是用于回收非分页内存与分页内存。
在使用完Lookaside对象后，需要删除Lookaside对象，有以下两个函数：
[cpp] view plaincopy
  1. //
  2. VOID ExDeleteNPagedLookasideList(IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside);
  3. VOID ExDeletePagedLookasideList(IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST  Lookaside);
  4. //
这两个函数分别删除非分页与分页的Lookaside对象。

[Windows驱动开发]（四）内存管理相关推荐

  1. Windows CE设备驱动开发之电源管理

    4.7电源管理 电源管理模块管理设备电源,从而全面改进操作系统的电源使用效率:它所有设备的电源使用,同时能与不支持电源管理的应用程序及驱动程序共存. 使用电源管理可以有效的减少目标设备的电源消耗,同时 ...

  2. 电源管理 第二部分 ---- Windows CE设备驱动开发之电源管理

    Windows CE设备驱动开发之电源管理      第二部分 4.7.2.电源状态 电源管理器期望所有被管理的设备能支持一个或多个设备电源状态.设备电源状态的数量是有限的.设备必须通知电源管理器其功 ...

  3. Windows驱动开发学习笔记（四）—— 3环与0环通信（常规方式）

    Windows驱动开发学习笔记(四)-- 3环与0环通信(常规方式) 设备对象 创建设备对象 设置数据交互方式 创建符号链接 IRP与派遣函数 IRP的类型 其它类型的IRP 派遣函数 派遣函数注册位 ...

  4. 《Windows驱动开发技术详解》学习笔记

    Abstract   如果推荐 Windows 驱动开发的入门书,我强烈推荐<Windows驱动开发技术详解>.但是由于成书的时间较早,该书中提到的很多工具和环境都已不可用或找不到,而本文 ...

  5. Windows驱动开发书籍简介

    分享到 一键分享 QQ空间 新浪微博 百度搜藏 人人网 腾讯微博 百度相册 开心网 腾讯朋友 百度贴吧 豆瓣网 搜狐微博 百度新首页 QQ好友 和讯微博 更多... 百度分享 首页 我的主页 相册 广 ...

  6. c语言windows驱动编程入门,Windows驱动开发技术详解 PDF扫描版[175MB]

    Windows驱动开发技术详解由浅入深.循序渐进地介绍了windows驱动程序的开发方法与调试技巧.本书共分23章,内容涵盖了windows操作系统的基本原理.nt驱动程序与wdm驱动程序的构造.驱动 ...

  7. Windows驱动开发入门系列教程

    从事驱动开发也有一段时间了,从最初的无头苍蝇到懵懵懂懂,到入门,直至今天,感觉一路走来,走了不少的弯路,只因为没有人引导.前几天,一个朋友问到我怎么学习Windows驱动开发,我就想到把我学习Wind ...

  8. Windows驱动开发学习笔记（三）—— 内核空间内核模块

    Windows驱动开发学习笔记(三)-- 内核空间&内核模块 内核空间 实验 第一步:编译如下代码 第二步:将 .sys 文件拷贝到虚拟机中 第三步:部署 .sys 文件并运行 第四步:创建一 ...

  9. Windows驱动开发学习笔记（二）—— 驱动调试内核编程基础

    Windows驱动开发学习笔记(二)-- 驱动调试&内核编程基础 基础知识 驱动调试 PDB(Program Debug Database) WinDbg 加载 PDB 实验:调试 .sys ...

  10. Windows驱动开发WDM （1） - 基本结构

    陆陆续续做过一些驱动的开发,但是一直以来都没有系统的学习过.这次重新阅读<windows驱动开发技术详解>(张帆,史彩成等编著),写博客记录一下,用以加深自己对驱动的理解. 驱动对象(DR ...

最新文章

  1. 【2016-09-27-DP小练】
  2. 基于redis 内存数据库简单使用
  3. 双11成交多少和我无关，但这个魔性MV真的让我笑喷！
  4. 星露谷物语json_《星露谷物语》1.5版本更新细节公开 已上线PC
  5. Spring AOP 前置通知
  6. Golang 并发编程之Context
  7. 理解vue中if和for指令不能同时使用
  8. 输出毫秒_毫秒级网络监控（网络示波器）
  9. 最新！中科院分区发布2021年期刊重大调整
  10. GIS+区块链，地理空间数据新型应用场景未来可期
  11. 近远场转换算法matlab,计算电磁学之FDTD算法的MATLAB语言实现解析.doc
  12. 2019程序员好书盘点：这些畅销新书的时间轴你对上没？
  13. ROS2节点通信实现零拷贝
  14. 2016 server win 假死_Windows 7假死的几个常见情况以及解决方法
  15. android Codec-specific data
  16. 华为Ascend昇腾计算产业介绍
  17. 基于单片机的条形码扫描系统设计
  18. SEM测试线扫与面扫
  19. 货郎担问题java算法_经典算法(1)---货郎担问题
  20. 网络基础知识——交换机路由器

热门文章

  1. Ant Design入门之开始使用
  2. indexzero/http-server-2-使用
  3. ElasticSearch6.5.0 【安装IK分词器】
  4. 从构建分布式秒杀系统聊聊WebSocket推送通知
  5. 被遗忘的图灵：计算机、神经网络、人工智能……他是这一切之父
  6. expect 普通用户自动输入密码到root下，执行命令
  7. varnish缓存服务器构建疑问
  8. Veeam Backup Replication试用（三）：配置备份（Backup Job）与恢复（Restore）
  9. docker基础用法
  10. TYVJ P1051 选课 Label:多叉转二叉树形dp（虐心♥）