Windows記憶體管理

參考一：

1. 記憶體管理所要做的事

1）把哪些不常用的程式片斷就放入虛拟記憶體，當需要用到它的時候在load入主存（實體記憶體）中。

2）計算程式片段在主存中的實體位置，以便CPU排程。

2. 記憶體管理方式

1）塊式管理：把主存分為一大塊、一大塊的，當所需的程式片斷不在主存時就配置設定一塊主存空間，把程式片斷load入主存，就算所需的程式片度隻有幾個位元組也隻能把這一塊配置設定給它。這樣會造成很大的浪費，但時易于管理。

2）頁式管理：把主存分為一頁一頁的，每一頁的空間要比一塊一塊的空間小很多，顯然這種方法的空間使用率要比塊式管理高很多。

3）段式管理：把主存分為一段一段的，每一段的空間又要比一頁一頁的空間小很多，這種方法在空間使用率上又比頁式管理高很多。但是也有另外一個缺點：一個程式片斷可能會被分為幾十段，這樣很多時間就會被浪費在計算每一段的實體位址上（計算機最耗時間的大家都知道是I/O吧）。

4）鍛頁式管理：結合了段式管理和頁式管理的優點。把主存分為若幹頁，每一頁又分為若幹段。

參考二：

1. 虛拟記憶體

         程式設計時我們面對的都是虛拟位址，win32中對于每個程序來說都擁有4G的虛拟記憶體（4G虛拟記憶體中，高2G記憶體屬于核心部分，是所有程序共有的，低2G記憶體資料是程序獨有的，每個程序低2G記憶體都不一樣），但是需要注意虛拟位址并不是真正存在的，是以不構成任何資源損失，比如我們要在X80000000的地方寫“sga”的時候，作業系統就會将這個虛拟位址映射到一塊實體位址A中，寫這塊虛拟位址就相當于寫入實體位址A,但是假如我們申請一段1Kb的虛拟記憶體空間，并未讀寫，系統是不會配置設定任何實體記憶體的，隻有當虛拟記憶體要使用的時候作業系統才會配置設定相應的實體空間。

2. 在應用程式中使用虛拟記憶體

Microsoft Windows提供了以下三種機制來對記憶體進行操控。 # 虛拟記憶體 最适合用來管理大型對象數組或大型結構數組 # 記憶體映射檔案 最适合用來管理大型資料流（通常是檔案），以及在同一機器上運作的多個程序之間共享資料 # 堆 最适合用來管理大量的小型對象

參考三：

Windows平台下的記憶體管理

1. Windows平台下主要的記憶體管理途徑

申請	釋放
new	delete
malloc	free
CoTaskMemAlloc	CoTaskMemFree
IMalloc::alloc	IMalloc/free
GlobalAlloc	GlobalFree
LocalAlloc	LocalFree
HeapAlloc	HeapFree
VirtualAlloc	VirtualFree

２. 調用關系

第一層：Win32 API作為系統的接口，提供了一組操作虛拟記憶體的接口；

第二層：Heap作為虛拟記憶體的一部分，Win32 API又提供了一組操作Heap記憶體的接口，但是這些接口是建立在操作虛拟記憶體的接口的基礎上。

第三層：Windows平台下的C Run-Time Library 又利用Heap API來實作malloc和free。

由此我們可以看出，這些動态記憶體操作方式之間存有單一的層次關系，位于這個層次的最低層的是Virtual Memory API，可以說這些方式都是建立在Virtual Memory API的基礎上。

調用關系如下表所示為 : new -> malloc -> HeapAlloc -> VirtualAlloc -> 驅動程式的_PageAlloc

調用者	被調用者
msvcrt.malloc	kernel32.HeapAlloc(ntdll.RtlAllocateHeap)
kernel32.LocalAlloc	ntdll.RtlAllocateHeap
kernel32.GlobleAlloc	ntdll.RtlAllocateHeap
kernel32.HeapAlloc	ntdll.RtlAllocateHeap(映射)
kernel32.VirtualAlloc	kernel32.VirtualAllocEx
kernel32.VirtualAllocEx	ntdll.NtAllocateVirtualMemory
ntdll.RtlAllocateHeap	ntdll.NtAllocateVirtualMemory
ntdll.NtAllocateVirtualMemory	ntdll.KiFastSystemCall
ntdll.KiFastSystemCall	sysenter指令 (0F34)

3. 方法解析

3.1 Virtual Memory API

    作為Windows系統提供的最"核心"的對虛拟記憶體操作的接口，也作為其他幾種方式的基礎，Virtual Memory API應該在幾種方式中是最通用，也是功能最強大的一種方式。在Windows裡記憶體管理是分為兩部份，全局記憶體是系統管理的記憶體，因而所有程序都可以通路的記憶體，而每一個程序又有自己的記憶體空間，這就是虛拟記憶體空間了，而虛拟記憶體的空間比較大，當實體記憶體不足時，系統會把虛拟記憶體的資料儲存到硬碟裡，這樣隻要硬碟的空間足夠大，每個程序就可以使用3G的記憶體。虛拟記憶體配置設定可以作為程式裡配置設定記憶體的主要方式，比如大量的資料緩沖區，動态配置設定記憶體的空間。使用VirtualAlloc函數來配置設定記憶體的速度要比全局記憶體要快。

   1:   LPVOID  WINAPI  VirtualAlloc( __in_opt LPVOID lpAddress, __in  SIZE_T dwSize,  __in   DWORD flAllocationType,   __in  DWORD flProtect );

lpAddress是指定記憶體開始的位址。

dwSize是配置設定記憶體的大小。

flAllocationType是配置設定記憶體的類型。

flProtect是通路這塊配置設定記憶體的權限。

   1:  void MemVirtual(void) {

   2:      //配置設定新記憶體大小。

   3:      UINT nNewSize = (UINT) ceil(1500 / 1024.0) * 1024;

   4:      PBYTE pNewBuffer = (PBYTE) VirtualAlloc(NULL,nNewSize,MEM_COMMIT,PAGE_READWRITE);

   5:      if (pNewBuffer){

   6:         //測試虛拟記憶體。

   7:         ZeroMemory(pNewBuffer,1500);

   8:         memcpy(pNewBuffer,_T("配置設定虛拟記憶體成功\r\n"),sizeof(_T("配置設定虛拟記憶體成功\r\n")));

   9:         OutputDebugString((LPWSTR)pNewBuffer);

  10:         //釋放配置設定的記憶體，第三個參數一定是MEM_RELEASE

  11:         VirtualFree(pNewBuffer,0,MEM_RELEASE);

  12:      }

  13:  }

3.2 Heap Memory API

在程序私有的記憶體空間裡配置設定裡，有兩種配置設定情況，一種上基于棧式的記憶體配置設定，另一種是基于堆記憶體的配置設定。使用堆記憶體配置設定是使用HeapAlloc函數來實作的，也就是實作new操作符配置設定記憶體時會調這個函數。這裡的"Heap"指的是程序擁有的一種對象(Windows中有很多對象，例如WINDOW，ICON，BRUSH)，當我們建立一個Heap對象的時候，我們就可以獲得這個對象的Handle,然後我們就可以使用這個handle來使用動态記憶體，最後銷毀這個對象。

   1:  LPVOID WINAPI HeapAlloc(__in HANDLE hHeap,__in DWORD dwFlags,__in SIZE_T dwBytes);

hHeap是程序堆記憶體開始位置。

dwFlags是配置設定堆記憶體的标志。

dwBytes是配置設定堆記憶體的大小。

   1:  void MemHeap(void){

   2:      constint nHeapSize = 1024;

   3:      PBYTE pNewHeap = (PBYTE) ::HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, nHeapSize);

   4:      if (pNewHeap){

   5:        //測試配置設定堆記憶體。

   6:        ZeroMemory(pNewHeap,nHeapSize);

   7:        memcpy(pNewHeap,_T("配置設定堆記憶體成功\r\n"),sizeof(_T("配置設定堆記憶體成功\r\n")));

   8:        OutputDebugString((LPWSTR)pNewHeap);

   9:        //釋放記憶體

  10:        BOOL bRes = ::HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pNewHeap);

  11:        if (bRes != TRUE){

  12:              OutputDebugString(_T("釋放記憶體出錯\r\n"));

  13:          }

  14:      }

  15:  }

3.3 LocalAlloc/GlobalAlloc

這兩個函數是Win16 API中遺留下來的兩個函數，Win32 API為了保持相容性才包含了這兩個函數。這兩個函數内部是通過Heap Memory API來操作一個"特殊"的Heap對象：程序的預設堆對象。每一個程序在初始化的時候，都會建立一個預設的Heap對象，在程序結束的時候銷毀這個預設 的Heap對象。LocalAlloc和GlobalAlloc的差別僅表現在Win16環境下，在Win16環境下，記憶體的位址是通過段:段内偏移量 來擷取的，LocalAlloc()隻能在同一段内配置設定記憶體，而GlobalAlloc可以跨越段邊界通路記憶體。 在Win32環境下記憶體通路不存在這樣的限制，是以他們表現出相同的功能。由于Heap Memory API完全可以實作他們兩個的功能，是以在Win32下不推薦使用這兩個函數。

在Windows系統裡，有一項功能非常實用，就是剪貼闆功能，它能夠從一個程式裡與另一個程式進行資料交換的功能，也就是說兩個程序上是可以共享資料。要實作這樣的功能，Windows系統在底層上有相應的支援，就是高端位址的記憶體是系統記憶體，這樣就可以不同的程序進行共享資料了。是以，調用函數GlobalAlloc來配置設定系統記憶體，讓不同的程序實作共享資料，也就是剪貼闆功能，可以在一個程序内配置設定記憶體，在另一個程序裡通路資料後删除記憶體。

   1:  HLOCAL WINAPI LocalAlloc(__in UINT uFlags,__in SIZE_T uBytes);

   2:  HGLOBAL WINAPI GlobalAlloc (__in UINT uFlags, __in SIZE_T dwBytes);

示例代碼：

   1:  void MemGlobal(void) {

   2:      //配置設定全局記憶體。

   3:      BYTE* pGlobal = (BYTE*)::GlobalAlloc(GMEM_FIXED,1024);

   4:      if (!pGlobal) {

   5:          return;

   6:      } else {

   7:          //測試全局記憶體

   8:          ZeroMemory(pGlobal,1024);

   9:          memcpy(pGlobal,_T("配置設定記憶體成功\r\n"),sizeof(_T("配置設定記憶體成功\r\n")));

  10:          OutputDebugString((LPWSTR)pGlobal);

  11:      }

  12:      //釋放全局記憶體。

  13:      ::GlobalFree((HGLOBAL)pGlobal);

  14:  }

3.4 malloc/free

     這兩個函數是使用頻率最高的兩個函數，由于他們是标準C庫中的一部分，是以具有極高的移植性。這裡的"移植性"指的是使用他們的代碼可以在不同的平台下編 譯通過，而不同的平台下的C Run-Time Library的具體實作是平台相關的，在Windows平台的C Run-Time Library中的malloc()和free()是通過調用Heap Memory API來實作的。值得注意的是C Run-Time Library擁有獨立的Heap對象，我們知道，當一個應用程式初始化的時候，首先被初始化的是C Run-Time Library，然後才是應用程式的入口函數，而Heap對象就是在C Run-Time Library被初始化的時候被建立的。

      對于動态連結的C Run-Time Library,運作庫隻被初始化一次，而對于靜态連接配接的運作庫，每連結一次就初始化一次，是以對于每個靜态連結的運作庫都擁有彼此不同的Heap 對象。這樣在某種情況下就會出問題，導緻程式崩潰,例如一個應用程式調用了多個DLL,除了一個DLL外，其他的DLL，包括應用程式本身動态連接配接運作庫，這樣他們就使用同一個Heap對象。而有一個DLL使用靜态連接配接的運作庫，它就擁有一個和其他DLL不同的Heap 對象，當在其他DLL中配置設定的記憶體在這個DLL中釋放時，問題就出現了。

3.5 關鍵詞new/關鍵詞delete

     這兩個詞是C++内置的關鍵詞(keyword)。當C++編譯器看到關鍵詞new的時候，例如：

     CMyObject* pObj = new CMyObject;

     編譯器會執行以下兩個任務：

    a) 在堆上動态配置設定必要的記憶體。這個任務是由編譯器提供的一個全局函數void* ::operator new(size_t)來完成的。值得注意的是任何一個類都可以重載這個全局函數。如果類重載了這個函數的化，被類重載的那個會被調用。

    b) 調用CMyObject的構造函數來初始化剛剛生成的對象。當然如果配置設定的對象是C++中的基本資料類型則不會有構造函數調用。

如果要深入全局函數void* ::operator new(size_t)的話，我們會發現，它的具體實作是通過調用malloc來配置設定記憶體的，而在win平台下，malloc最終調用的是HeapAlloc方法。

3.6 CoTaskMemAlloc /IMalloc

     CoTaskMemAlloc用于COM對象，它在程序的預設堆中配置設定記憶體。

     IMalloc接口是對 CoTaskMemAlloc/CoTaskMemFree 的再次封裝。