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[转]解析Winndows 2000/XP物理内存管理

2024-07-19 13:35:18   217人阅读

 物理内存是相对比较紧张的资源，合理利用将是一个操作系统的性能的关键。Windows 2000/XP内部使用一个称为页框数据库(Page Frame Database)的结构用于描述物理内存的状态。本文将从这一结构入手详述Windows物理内存的组织与管理。

    Windows将物理内存按PAGE_SIZE(在x86上，为0x1000字节，即4K)为单位，将其划分，每一单元在页框数据库中均有一项描述其状态及用途等。页框数据库实际上是由这些描述每一页情况结构的数组。页框数据库由内核变量MmPfnDatabase指定，而数据库中的项数则由MmNumberOfPhysicalPages指定，项数索引叫Page Frame Number(PFN)来表示。MmNumberOfPhysicalPages通常略低于系统实际拥有的物理内存页数，系统在初始化阶段保留部分页面让操作系统本身使用。需要指出的是页框数据库只描述狭义上的物理内存，不包含其他映射的物理设备的内存。

    Windbg的!pfn命令用于对任一页内存的状态及用途等进行分析，如下所示：

    kd> dd MmPfnDatabase l 1
    80547438  80c00000
    kd> !pfn 143
        PFN 00000143 at address 80C01E48
        flink       00000500  blink / share count 00000001  pteaddress E1085174
        reference count 0001   Cached     color 0
        restore pte 00B5AC24  containing page        0096D8  Active      P      
          Shared

　　《Inside Windows 2000》中将PFN的各个字段解释的已经非常清楚了。这里我只是简要进行说明：

　　flink与blink用于将特定状态的页面连成一个链表，系统中内核变量MmZeroedPageListHead、MmFreePageListHead、MmStandbyPageListHead、MmModifiedPageListHead、MmModifiedNoWritePageListHead、MmBadPageListHead用于指示这些状态的页面的链表头。从这些变量名很容易明白各链表的页面状态，在Windows中页框数据库中共有8个状态，另两个为：Active与Transition状态。这8个状态由pfn的type(offset:0xd,size:byte)字段中的前3bit指示。

　　pteaddress是指向这一页面的pte地址。经过分析，主要有如下三种情况：

    a. pteaddress为0或0xffffffff，根据pfn指示的状态，可识别是ZeroedPage或是FreePage。
    b. pteaddress为0xC*******，表明这一页面当前有系统或某一进程独占，并且在进程或系统工作集中。
　　c. pteaddress为0xE*******，说明这是一个prototype pte，也就是说这个页面是共享的。详细请参阅我的《探究Windows 2000/XP原型PTE》。

　　restore pte，在《Inside Windows 2000》中称为original pte。其作用是指示这一页面的back-store位置，即数据在磁盘中某一pagefile或是mapped file中的位置。譬如在上面提及的情况c中，其一般是指向mapped file的某一subsection，所以在内部其称为Subsection PTE，由MMPTE_SUBSECTION结构定义。而另外一种情况其可能是一个指向pagefile的pte，由MMPTE_SOFTWARE结构定义。这一点，上次我提及时存在错误。MMPTE_SUBSECTION的具体bit定义如下：

    Valid            : Pos 0, 1 Bit
    SubsectionAddressLow : Pos 1, 4 Bits
    Protection       : Pos 5, 5 Bits
    Prototype        : Pos 10, 1 Bit
    SubsectionAddressHigh : Pos 11, 20 Bits
    WhichPool        : Pos 31, 1 Bit

　　最高位WhichPool是指示这个Subsection位于哪个pool中(NonPagedPool或是PagedPool中)，Valid为0，指示这不是一个x86硬件可以识别的pte，由MiDispatchFault分析。由Subsection pte转换成Subsection地址的算法我在底下提供的代码中给出了。

    这一描述基本阐述了Subsection PTE的作用，用于定位由PFN所指定的页面位于相应的Mapped File的位置。为了更好的解释好这一过程，《Inside Windows 2000》中使用了一个框图来解释内存管理器内部的这几个千丝万缕的联系，但各个数据结构，如PFN，SEGMENT等等介绍的不够详尽，并且之间的转换算法均没有提及。下图是我根据Windows XP Professional Build 2600的情况，重新制作的一幅图.

Windbg提供了一个!memusage命令通过分析subsectin pte得到系统中各个mapped file的使用内存情况，底下的代码，只是详细的列出了某些页面由哪些mapped file使用，并没有像!memusage有详细的统计功能，不过通过这一代码与我先前提供的文章，也能基本上明白上面这幅图之间复杂关系。

 1     /* 2        For test purpose,I define the below constant,but no say  3        MmSubsectionBase and MmNonPagedPoolEnd are fixed in  4        Windows 2000 and Windows XP. They are initialized on system  5        boot phase by ntoskrnl and rely on the system physical memory size etc. 6     */ 7     #define WIN2000_2195 8     #ifdef WINXP_2600  9     #define MmSubsectionBase 0x80d2100010     #define MmNonPagedPoolEnd 0xffbe000011     #endif12     #ifdef WIN2000_219513     #define MmSubsectionBase 0x014     #define MmNonPagedPoolEnd 0xffb7f00015     #endif16 17     #define MmPfnDatabase 0xffb7f000    //Please redefine it on your machine.18     #define MmNumberOfPhysicalPages 0x3f7d  //Please redefine it on your machine.19 20     /*21       Portion of nt!MiGetSubsectionAndProtoFromPte22       Get Subsection from restore pte(original pte) at PFN Database Entry23       disasm by WebCrazy(tsu00@263.net) athttp://webcrazy.yeah.net24      Thanks to wuzq(wuzq@legend.com.cn) for light!25     */26 27     unsigned int MiGetSubsectionAndProtoFromPte(int pte)28     {29        unsigned int subaddr;30        if(pte < 0){ 31           subaddr = MmSubsectionBase+(((pte & 0x1e) <<2) |  ((pte>>4) & 0x7ffff80)) ;32        }else{33           subaddr = MmNonPagedPoolEnd-(((pte & 0x1e) <<2) |  ((pte>>4) & 0xfffff80)) ;34        }35        return subaddr;36     }37 38     /* 39       I release memusage() to dump Control Area.40       Only mapped file control area were dump.41       Please see windbg !memusage command.42     */43 44 45     void memusage()46     {47          unsigned int *pfndatabase = MmPfnDatabase;48          unsigned int numberphys = MmNumberOfPhysicalPages;49 50          unsigned int restorepte,pfn=0,ppte,subsection;51 52          unsigned char flag=0;53          static unsigned int flagnum[8];54          static char *flagdesc[8]=55                 {"Zeroed","Free","Standby","Modified","ModNoWrt","Bad","Active","Trans"};56          memset(flagnum,0,sizeof(flagnum));57 58          for(;pfn<numberphys;pfn++){59             flag = *(char *)((char *)pfndatabase+0xd);60             flag &= 0x07;61             flagnum[flag]++;62             pfndatabase+=0x18/0x04;63         }64 65         DbgPrint("\nMemUsage:\n");66         for(flag=0;flag<8;flag++)67              DbgPrint("%10s:%04d(%08dK)\n",flagdesc[flag],flagnum[flag],flagnum[flag]*4);68 69 70         pfndatabase = MmPfnDatabase;71         for(pfn=0;pfn<numberphys;pfn++){72             ppte=*((unsigned int *)(pfndatabase+0x1));73             restorepte=*((unsigned int *)(pfndatabase+0x4));74             flag = *(char *)((char *)pfndatabase+0xd);75             flag &= 0x07;76 77             if(ppte>=0xE1000000&&ppte<0xF0000000){78                subsection=MiGetSubsectionAndProtoFromPte(restorepte);79                DbgPrint("pfn:%04X,ppte:%08X,restorepte:%08X,subsection:%08X,ca:%08X,80                     flag:%10s\n",pfn,ppte,restorepte,subsection,81                     MmIsAddressValid((void *)subsection)?*(unsigned int *)subsection:82                     0x11111111,flagdesc[flag]);83             }84             pfndatabase+=0x18/0x04;85         }86     }

 

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