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
當處理器讀或?qū)懭雰?nèi)存位置時，它會使用虛擬地址。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)。當物理內(nèi)存的供應量變小時，內(nèi)存管理器會將物理內(nèi)存頁(通常大小為 4 KB)保存到磁盤文件。數(shù)據(jù)或代碼頁會根據(jù)需要在物理內(nèi)存與磁盤之間移動。
不同進程使用的虛擬地址彼此隔離。一個進程中的代碼無法更改正在由另一進程或操作系統(tǒng)使用的物理內(nèi)存。
進程可用的虛擬地址范圍稱為該進程的“虛擬地址空間”。每個用戶模式進程都有其各自的專用虛擬地址空間。 對于 32 位進程，虛擬地址空間通常為 2 GB，范圍從 0x00000000 至 0x7FFFFFFF。對于 64 位進程，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 64 位進程的虛擬地址空間：Notepad.exe 和 MyApp.exe。每個進程都有其各自的虛擬地址空間，范圍從 0x000'0000000 至 0x7FF'FFFFFFFF。每個陰影框都表示虛擬內(nèi)存或物理內(nèi)存的一個頁面(大小為 4 KB)。注意，Notepad 進程使用從 0x7F7'93950000 開始的虛擬地址的三個相鄰頁面。但虛擬地址的這三個相鄰頁面會映射到物理內(nèi)存中的非相鄰頁面。而且還注意，兩個進程都使用從 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 的進程在用戶模式下運行。核心操作系統(tǒng)組件和多個驅(qū)動程序在更有特權(quán)的內(nèi)核模式下運行。有關(guān)處理器模式的詳細信息，請參閱用戶模式和內(nèi)核模式。每個用戶模式進程都有其各自的專用虛擬地址空間，但在內(nèi)核模式下運行的所有代碼都共享稱為“系統(tǒng)空間”的單個虛擬地址空間。當前用戶模式進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(在啟動時)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的操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)核模式下運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)核模式下運行的代碼可以訪問系統(tǒng)空間和當前用戶模式進程的虛擬地址空間。
在內(nèi)核模式下運行的驅(qū)動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)核模式下運行的設(shè)備驅(qū)動程序例程啟動讀取操作并將控制權(quán)返回到其調(diào)用程序。
然后，設(shè)備中斷了當前運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行的內(nèi)核模式驅(qū)動程序例程進行處理，該例程屬于任意進程。
此時，驅(qū)動程序不得將數(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)起請求的進程的虛擬地址空間，該進程可能很大程度上不同于當前進程。
虛擬地址(Virtual Address Space)
Win32通過一個兩層的表結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)地址映射，因為每個進程都擁有私有的4G的虛擬內(nèi)存空間，相應的，每個進程都有自己的層次表結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其地址映射。
第一層稱為頁目錄，實際就是一個內(nèi)存頁，Win32的內(nèi)存頁有4KB大小，這個內(nèi)存頁以4個字節(jié)分為1024項，每一項稱為“頁目錄項”(PDE);
第二層稱為頁表，這一層共有1024個頁表，頁表結(jié)構(gòu)與頁目錄相似，每個頁表也都是一個內(nèi)存頁，這個內(nèi)存頁以4KB的大小被分為1024項，頁表的每一項被稱為頁表項(PTE)，易知共有1024×1024個頁表項。每一個頁表項對應一個物理內(nèi)存中的某一個“內(nèi)存頁”，即共有1024×1024個物理內(nèi)存頁，每個物理內(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的大小應該是4個字節(jié)，而不是4kB)：
Win32提供了4GB大小的虛擬地址空間。因此每個虛擬地址都是一個32位的整數(shù)值，也就是我們平時所說的指針，即指針的大小為4B。它由三部分組成，如下圖：
這三個部分的第一部分，即前10位為頁目錄下標，用來尋址頁目錄項，頁目錄項剛好1024個。找到頁目錄項后，找對頁目錄項對應的的頁表。第二部分則是用來在頁表內(nèi)尋址，用來找到頁表項，共有1024個頁表項，通過頁表項找到物理內(nèi)存頁。第三部分用來在物理內(nèi)存頁中找到對應的字節(jié)，一個頁的大小是4KB，12位剛好可以滿足尋址要求。
具體的例子：
假設(shè)一個線程正在訪問一個指針(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,下圖表示了這一個過程:
0x2A8E317F的二進制寫法為0010101010_0011100011_000101111111，為了方便我們把它分為三個部分。
首先按照0010101010尋址，找到頁目錄項。因為一個頁目錄項為4KB，那么先將0010101010左移兩位，001010101000(0x2A8)，用此下標找到頁目錄項，然后根據(jù)此頁目錄項定位到下一層的某個頁表。
然后按照0011100011尋址，在上一步找到頁表中尋找頁表項。尋址方法與上述方法類似。找到頁表項后，就可以找到對應的物理內(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，并進行地址映射。頁表項中有一位標志位，用來標識包含此數(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，此時頁表項也可標識包含此數(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)顺?，如果在，頁表項會查出此?shù)據(jù)頁在哪個調(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)進行地址映射。為了實現(xiàn)每個進程擁有私有4G的虛擬地址空間，也就是說每個進程都擁有自己的頁目錄和頁表結(jié)構(gòu)，對不同進程而言，即使是相同的指針(虛擬地址)被不同的進程映射到的物理地址也是不同的，這也意味著在進程之間傳遞指針是沒有意義的。
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