Windows內存管理學習筆記（三）—— 無處不在的缺頁異常

• • 缺頁異常
  • • 實驗一：設置虛擬內存
  • 無處不在的缺頁
  • • 位于頁面文件
    • 保留與提交的誤區
    • 實驗二：理解缺頁異常
    • EXECUTE_WRITECOPY

缺頁異常

描述：

例：當CPU訪問一個地址，其PTE的P位（頁面有效位）為0，此時會產生缺頁異常

在windows中，缺頁異常是時刻在發生的

PTE結構（10-10-12分頁）：

假設：當我們的物理內存大小只有2MB時，當我們需要用到某個物理頁的時候，將對應物理頁的P位置1，當我們不再需要使用該物理頁時，再將其P位置0，這樣的內存使用效率是非常低的，因此windows不是這樣設計的——只有正在使用的線性地址，才會被掛上物理頁，當物理頁在一段時間內不被使用或不夠用的情況下，操作系統會將當前物理頁中的數據拷貝至硬盤中，然后將當前物理頁供給“別人”使用，當需要再次用到該物理頁的數據時，則將“別人”的數據再拷貝出來，將“自己"的數據從硬盤中拷回，被拷至硬盤中的物理頁數據會被寫入到一個文件中，也就是我們平時常說的虛擬內存

實驗一：設置虛擬內存

1）右鍵”我的電腦“-屬性-高級-”性能“設置-高級
2）將虛擬內存大小設置為780MB

3）查看c:\pagefile.sys文件屬性（需設置文件夾選項-顯示隱藏文件）

當物理頁占用情況較為緊張時，這個文件用于存放物理頁的臨時數據作為備份

無處不在的缺頁

描述：當線性地址對應的物理頁被存儲到文件中時，PTE結構被拓展為以下四種情形

位于頁面文件

描述：

當物理頁被放入頁面文件時，PTE結構如圖a所示

當該進程再次讀取該物理頁對應的線性地址時，由于P位為0，因此會觸發缺頁異常處理程序

在windows xp中，缺頁異常處理程序位于IDT[0xE]

此時，缺頁異常處理程序會再次查詢當前PTE的屬性，若1-4位，5-9位，12-31位都有值，說明當前PTE是有效的，但是物理頁被存放到了頁面文件中

然后，缺頁異常處理程序根據PTE中得到的值去查詢pagefile.sys，將原來的物理頁的內容掛入新的物理頁，然后將P位置1，再將新的物理頁的物理地址掛入PTE的第12-31位

在用戶看來，兩次讀取同一個線性地址，中間這一系列復雜過程是透明的，而只能觀察到兩次都成功讀取了同一個值

保留與提交的誤區

我們對于VirtualAlloc的傳統概念

LPVOID VirtualAlloc{LPVOID lpAddress,DWORD dwSize,DWORD flAllocationType, // 分配的類型// MEM_RESERVE：只保留線性地址，不分配物理頁// MEM_COMMIT：既保留線性地址，又分配物理頁DWORD flProtect };

思考：如果設置flAllocationType成員的值為MEM_COMMIT，當函數執行結束之后，馬上就會為當前線性地址分配物理頁嗎？
答案：不會，只有當線性地址真正被使用時，才會分配物理頁

實驗二：理解缺頁異常

1）編譯并運行以下代碼

#include <stdio.h> #include <windows.h>int main() {LPVOID pAddr = VirtualAlloc(NULL, 0x1000*8, MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);printf("%p\n", pAddr);getchar();*(PDWORD)pAddr = 0x12345678;getchar();return 0; }

2）運行結果

3）查看pAddr所在的線性地址是否存在物理頁

kd> !process 0 0

可以看到，此時并未被掛上具體物理頁（PTE為空）

備注：上述步驟也可以使用以下命令進行代替

4）繼續運行程序，再次查看PTE


此時線性地址被掛上物理頁（PTE有值）

5）觀察VadRoot

標紅行的8指的是最多可以為這塊線性地址分配8個物理頁（0-7），但不是每塊線性地址都已被掛上有效的物理頁，只有當對應線性地址塊被使用時，才會真正被掛上物理頁

6）觀察_MMVAD結構體

當訪問一個未被掛上物理頁的線性地址時，會觸發缺頁異常，缺頁異常處理程序會去查找VadRoot，若當前線性地址已被分配，則會將其掛上物理頁，否則會觸發內存訪問錯誤

總結：缺頁異常使得物理頁的使用更加高效

EXECUTE_WRITECOPY

描述：當程序正常加載一個EXE或者DLL時，其VadRoot中的內存屬性為Mapped EXE，權限為EXECUTE_WRITECOPY，當試圖對其某一內容進行修改時，無法對其它進程中的同一個模塊產生影響

原理：

當試圖對其某一內容進行修改時，系統會檢查其線性地址對應的物理頁的PTE屬性，若R/W屬性為0時，觸發缺頁異常

缺頁異常處理程序檢查VadRoot中對應線性地址所在空間的MMVAD_FLAGS中的Protection成員，若值位0x111時，表示權限為EXECUTE_WRITECOPY

此時，缺頁異常處理程序將當前線性地址對應的物理頁內容進行拷貝，將其寫入一個新的物理頁，然后將當前進程需要修改的線性地址掛入新的物理頁上，然后對需要修改的內容進行寫入

解決方法：可通過編寫驅動程序先將需要修改的線性地址對應的物理頁的PTE的R/W位置為1，再對需要修改的地方進行修改

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Windows内存管理学习笔记（三）—— 无处不在的缺页异常的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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