补充一下有关XFS Manager的内存管理部分

缺乏、安全感 2023-10-16 18:53 50阅读 0赞

既然提到了XFS Manager的内存管理，在这里就多说一下Windows操作系统的内存管理。  
  
很多从事Windows操作系统平台开发的软件人员，经常使用内存分配函数却不知道它们是怎么实现出来的，比如，C/C++中经常会使用malloc()和new()来分配一块内存出来，在这块内存中进行各种操作，最后调用free()和delete()将分配的内存释放掉。  
  
那么到底我们在调用C/C++语言的这几个函数时，计算机帮我们做了什么呢？下面我就讲讲这方面的知识。如果了解这些，对于写出一个稳定的ATM软件是很有帮助的。为什么很多人总是说一些ATM软件不稳定，较大一个原因是写ATM软件的人没有更深入去理解软件，只是为了满足需要用一门编程语言拼凑出来一个ATM软件，能够跑起来使用，但是怎样才能跑的更好，就难以更进一步的把握了。  
  
无论是Windwos，还是Unix、Linux等操作系统，我都研究了下，对于现代32位、64位操作系统来说，它们的内存管理基本上差不多，我们下面来拿最常用的Windows操作系统来讲。  
  
在Windows操作系统中内存管理一般可以认为由低级到高级分为4层，每一层都是调用更低一级的一层来实现的，最低级的一层调用CPU硬件来实现的。这样算来，如果包括CPU硬件，一共是5层了。  
  
对于CPU硬件这层来说，拿最常见的Intel X86系列CPU来讲，CPU内部已经从硬件上支持很大程度的内存管理功能，包括虚拟内存分页机制，内存切换等，操作系统需要与CPU进行紧密的配合，才能实现现代操作系统的虚拟内存分配。有关CPU的硬件手册，每个CPU厂商一般都会提供，感兴趣可以看看，其中Intel的CPU手册有三卷，一共2000多页，看起来要多花点时间，我看完后没事还经常当作手册查看下，主要讲CPU的架构、模块说明和怎样操作CPU之类的东西。在这里先不理会CPU一级的内存管理，直接关注Windwos的内存管理机制。  
  
前面已经说了，Windows的内存管理分为4层。其中最底层的是由驱动程序VMM.VXD（不同的Windows版本名字可能不同）提供的内存管理，因为它是驱动程序，运行在CPU的ring0特权级别，可以操作所有的计算机硬件资源，所以与CPU进行配合来完成内存管理的责任都由它来承担了。VMM.VXD驱动程序用来配置大块的内存，并且来操纵CPU的页pages(在Intel CPU中一页的大小是4K的内存)。我们写的应用程序一般不会直接调用VMM.VXD。这一层提供的部分函数是：\_PageReserve/\_PageFree/\_HeapAlloc/\_HeapFree等，注意都有下划线的。  
  
稍上一层的是KERNEL32.DLL提供VirtualXXXX()等函数，象VirtualAlloc/VirtualFree等函数。这些函数以VMM.VXD为基础，也用来配置大块的内存，以页page为单位，即一调用WirtualAlloc，则必然是分配4K的整数倍大小的内存，不可能分配象20个byte等大小的内存。显然，一次只能分配4K大小倍数的内存，对于应用程序一点用都没有，因为我们不可能想申请一个256字节的内存的时候，操作系统给我4K的内存，那太浪费了。  
  
再上一层的是KERNEL32.DLL提供的HeapXXXX()等函数，象HeapAlloc/HeapReAlloc/HeapFree/HeapCreate等函数，它们内部调用了下一层的VirtualXXXX()等函数。  
  
它们就象我们在C/C++中使用的malloc和new等函数了，可以分配很小的内存块。这些函数包括了Windows进行内存管理的核心，实现了记录你每次申请的内存大小、内存的大块切割成小块、小块内存合成大块、有关的调试信息等相关信息。  
  
最上一层是LocalXXXX()和GlobalXXXX()等函数，象LocalAlloc/GlobalAlloc等函数，它们内部调用了下一层的HeapXXXX()。它们主要的作用是为了与原来16位的DOS等内存分配机制兼容的。在32位的Windows操作系统中已经可以不需要直接在新写的应用程序中调用它们了。  
  
到现在，我们已经知道了Windows的4层内存分配机制。我们接着看看C/C++中的malloc和new怎么来实现的。对于C++程序来说，很多编译器一般经过以下几个步骤：  
先将C++代码进行预处理、接着将预处理完成的代码用C++到C的转换器转换为C代码、最后用C编译器将最终的代码编译出来。  
  
从中可以看出很多C++程序是由C编译器编译出来的。当然，这个过程只是一部分C++编译器的处理方式，很多编译器并不是转换成C来编译的，而是直接编译的。  
  
再来看看C++中的new，从上面说到的C++程序被一部分编译器最后转换成C来编译，这样很容易想到，C++中的new操作最终也会转换为C的malloc来实现最终的内存分配，确实，很多编译器是这样来实现的。  
  
可以先总结一下。C++中的new一般分为两步走，首先会先调用C的malloc分配一个适当大小的内存，然后再调用对象的构造函数，将分配的内存初始化。对于malloc来说，它可以直接调用Windows操作系统提供的HeapAlloc()函数，它们的参数基本上是一样的，从而就实现了内存分配。用图形表示就如下：  
new--->malloc--->HeapAlloc--->VirtualAlloc--->\_PageReserve/\_HeapAlloc。  
  
这个只是一般的编译器所采取的措施，如果你自己写一个Windows平台下的编译器，也可以采取这种方式。但是象微软的VC++及Borland的编译器一般都是自己实现的malloc，也就是它们的malloc并不是直接调用了操作系统提供的HeapAlloc()等函数，而是自己重新写了个类似于HeapAlloc()的函数，这个就另当别论了。  
  
在这个链中最被我们感兴趣的是由malloc直接调用的HeapXXXX()等函数。HeapXXXX()等函数是真正的内存管理核心，就像前面所提到的一样。至于VirtualXXXX()等  
  
函数只是为了在内存中一次切一个4K字节的大块而已，至于怎么管理更小块的内存，全部在HeapXXXX()等函数中实现。  
  
因为HeapXXXX()等函数的实现还是有些复杂，一般人对它的实现不是很感兴趣，在这里就不多说了，有兴趣可以找我交流。  
  
最后，来看一种C程序中分配内存的情况：  
char\* p = malloc(0);  
  
对于这个语句，注意它分配的内存大小是0。这时候，编译器是否会分配内存或者直接忽略掉本次内存申请呢？  
  
其实这一句最终操作系统也会分配内存的，原因是操作系统对于每次的内存申请都保留一定的信息，象上面提到的申请的内存大小等信息，这些信息在Windows和Linux/Unix下面一般都是16个byte，即2个字节左右，并且在软件的Release版和DEBUG版不同。一般Release版的内存保留信息只是一个DWORD类型的大小信息和前后内存块的指针等，而DEBUG版包含的信息会多一些，可能包括内存大小、线程号（哪个线程分配的）、前后内存块指针、校验位等。  
所以如果调用了malloc(0)，则在DEBUG版操作系统还是要分配2个字节左右的内存的，用来保存一些信息，注意的是，该块信息中的内存大小那个信息填0。同样，Release版也会分配内存的。  
  
操作系统内部会保留一个链表，这个链表中的每一项都对应一个内存信息结构，它记录着你每次申请的内存和系统剩下的内存，以满足你的内存申请和释放的需要。  
  
好了，到这里，我们已经大概对Windows的内存分配有了些认识，如果想清楚的了解Windows的内存管理是怎样用程序代码写出来的，还需要更深入的了解一些知识。不过，真正想自己实现一个Windows一样的内存管理，也不是很困难的事，还算比较简单，只是要花些时间而已。

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