Windows 2000/XPWindows 2000/XP 操作系统概操作系统概述述

首都师范大学信息工程学院首都师范大学信息工程学院刘 羽刘 羽

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 操作系统概述操作系统概述

主要内容主要内容 Windows 2000/XPWindows 2000/XP 体系结构体系结构 Windows 2000/XPWindows 2000/XP 处理器管理处理器管理 Windows 2000/XPWindows 2000/XP 内存管理内存管理 Windows 2000/XPWindows 2000/XP 文件管理文件管理 Windows 2000/XP I/OWindows 2000/XP I/O 管理管理

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理 Windows 2000/XPWindows 2000/XP 采用了采用了页式虚拟存储页式虚拟存储技术，作技术，作

为为 3232 位操作系统，位操作系统， Windows 2000/XPWindows 2000/XP 提供提供 3232位虚拟地址，每个进程的虚拟地址空间理论上最位虚拟地址，每个进程的虚拟地址空间理论上最多可达到多可达到 4GB4GB

其中，低端其中，低端 2GB2GB 或或 3GB3GB 为用户地址空间，高端为用户地址空间，高端 22GBGB 或或 1GB1GB 为系统地址空间为系统地址空间

用户空间可被用户态和核心态线程访问，并且对用户空间可被用户态和核心态线程访问，并且对每个进程都是不同的，采用页交换，可以换到外每个进程都是不同的，采用页交换，可以换到外存；而系统空间只能被核心态代码访问，并且对存；而系统空间只能被核心态代码访问，并且对每个进程都是相同的（有三类）每个进程都是相同的（有三类）

固定页面区

页交换区

直接映射区

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理主要由执行的内存管理主要由执行体中的虚拟内存管理器负责，并由环境子体中的虚拟内存管理器负责，并由环境子系统负责与具体系统负责与具体 APIAPI 有关的一些用户态特有关的一些用户态特征的实现征的实现

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理 地址转换机制地址转换机制

在在 Windows 2000/XPWindows 2000/XP 中，用户应用程序以中，用户应用程序以 3232 位虚拟位虚拟地址方式编址，处理器利用虚拟内存管理器创建和维地址方式编址，处理器利用虚拟内存管理器创建和维护的数据结构将虚拟地址变换为物理地址。护的数据结构将虚拟地址变换为物理地址。

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 在在 X86X86 体系结构上利用二级页表结体系结构上利用二级页表结构来实现虚拟地址向物理地址的变换，一个构来实现虚拟地址向物理地址的变换，一个 3232 位虚拟位虚拟地址被解释为三个独立的分量：页目录索引、页表索地址被解释为三个独立的分量：页目录索引、页表索引和字节索引引和字节索引

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理 页目录索引用于指出虚拟地址的页目录在页目录索引用于指出虚拟地址的页目录在

页表中的位置。页表中的位置。 页表索引则用来确定页表项页表索引则用来确定页表项 (page table en(page table en

trytry ，， PTE)PTE) 在页表中的具体位置，而页表在页表中的具体位置，而页表项则包含了虚拟地址被映射到的物理地址。项则包含了虚拟地址被映射到的物理地址。

字节索引使我们能在物理页中寻找某个具字节索引使我们能在物理页中寻找某个具体的地址体的地址

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理

页表号页目录号 页内地址虚拟地址

页目录

页目录号

页表

页表号

页目录地址

物理地址空间

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理

A page table entry for a mapped page on the Pentium

虚拟地址变换的基本步骤虚拟地址变换的基本步骤 内存管理的硬件设备定位当前进程的页目录。内存管理的硬件设备定位当前进程的页目录。

每个进程都拥有一个单独的页目录，这是由虚每个进程都拥有一个单独的页目录，这是由虚拟内存管理器创建的特殊页，用于映射进程所拟内存管理器创建的特殊页，用于映射进程所有页表的位置，进程页目录的物理地址被保存有页表的位置，进程页目录的物理地址被保存在核心进程在核心进程 (KPROCESS)(KPROCESS) 块中。每次进程切换块中。每次进程切换时，通过操作系统设置一个专用的时，通过操作系统设置一个专用的 CPUCPU 寄存器寄存器(( 在 在 X86X86 系统中是系统中是 CR3)CR3) 来通知硬件设备新进来通知硬件设备新进程页目录所在的地址程页目录所在的地址

虚拟地址变换的基本步骤虚拟地址变换的基本步骤 页目录索引用于在页目录中指出页目录项页目录索引用于在页目录中指出页目录项 (pag(pag

e directory entrye directory entry ，， PDE)PDE) 的位置，页目录项的位置，页目录项包含的页框号包含的页框号 (page frame number(page frame number ，， PFN)PFN)描述了映射虚拟地址所需页表的位置。因为 描述了映射虚拟地址所需页表的位置。因为 WWindows 2000/XPindows 2000/XP 为每个进程均提供一个私有为每个进程均提供一个私有的地址空间，而且每个进程间的地址映射情况的地址空间，而且每个进程间的地址映射情况各异，所以每个进程都有自己独有的页表集来各异，所以每个进程都有自己独有的页表集来映射私有地址空间。描述系统空间的页表被所映射私有地址空间。描述系统空间的页表被所有的进程共享有的进程共享

虚拟地址变换的基本步骤虚拟地址变换的基本步骤 页表索引用于在页表中指明页表项的位置。如果页表页表索引用于在页表中指明页表项的位置。如果页表

项是有效的项是有效的 ((标志页表是否有效的标志位为标志页表是否有效的标志位为 1)1) 。则页。则页表项会包含物理内存中一个页的页框号，相应的虚拟表项会包含物理内存中一个页的页框号，相应的虚拟页面就包含在这个物理页框中。如果页表项表明所需页面就包含在这个物理页框中。如果页表项表明所需的页是无效的，则说明所需的页由于某种原因对当前的页是无效的，则说明所需的页由于某种原因对当前进程是不可访问的。对无效页面的一次访问称为缺页进程是不可访问的。对无效页面的一次访问称为缺页错误，错误，缺页错误将导致缺页中断缺页错误将导致缺页中断。内核中断处理程序。内核中断处理程序将缺页中断调派给内存管理故障处理程序来解决。这将缺页中断调派给内存管理故障处理程序来解决。这个程序运行在引起错误的线程环境下，并负责尝试解个程序运行在引起错误的线程环境下，并负责尝试解决这个错误决这个错误 ((如果可能如果可能 )) 或引发适当的异常或引发适当的异常

虚拟地址变换的基本步骤虚拟地址变换的基本步骤

当页表项指向了有效的页时，字节索引用当页表项指向了有效的页时，字节索引用于找到物理页内所需数据的地址于找到物理页内所需数据的地址

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理 每次地址变换都需要经过两次查询：每次地址变换都需要经过两次查询：

一次是在页目录中找到正确的页表，一次是在页目录中找到正确的页表， 一次是在页表中找到正确的项。一次是在页表中找到正确的项。

如果每次对虚拟地址的访问都做两次额外的内存如果每次对虚拟地址的访问都做两次额外的内存查询，这将使系统性能严重下降，因此大多数处查询，这将使系统性能严重下降，因此大多数处理器在地址变换时运用了高速缓存技术理器在地址变换时运用了高速缓存技术 CACHECACHE 。。X86X86 处理器提供了关联存储器数组形式的高速缓处理器提供了关联存储器数组形式的高速缓存，称为转换后援缓冲器存，称为转换后援缓冲器 (translation look aside (translation look aside bufferbuffer ，， TLB)TLB)

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理 TLBTLB 是一个向量，它的存储单元能被同时读取，并与目标是一个向量，它的存储单元能被同时读取，并与目标值比较。值比较。

在在 TLBTLB 中，向量中包含了大多数最近用过的虚拟页到物理中，向量中包含了大多数最近用过的虚拟页到物理页的映射以及每页的页保护类型。页的映射以及每页的页保护类型。

由于常用的虚拟地址很可能记录在由于常用的虚拟地址很可能记录在 TLBTLB 项中，这就使虚拟项中，这就使虚拟地址到物理地址的变换非常快，而且减少了对内存的访问。地址到物理地址的变换非常快，而且减少了对内存的访问。

如果一个虚拟地址不在如果一个虚拟地址不在 TLBTLB 中，它可能仍在内存中，但是中，它可能仍在内存中，但是需要对内存多次访问来找到它。如果一个虚页已经被调出需要对内存多次访问来找到它。如果一个虚页已经被调出了内存，或者虚拟内存管理器更改了页表项，那么虚拟内了内存，或者虚拟内存管理器更改了页表项，那么虚拟内存管理器必须明确地将相应的存管理器必须明确地将相应的 TLBTLB 项置为无效。当进程再项置为无效。当进程再次访问这个虚页时，就会产生缺页中断，虚拟内存管理器次访问这个虚页时，就会产生缺页中断，虚拟内存管理器将该页再次调回内存，同时在 将该页再次调回内存，同时在 TLBTLB 中为它重新创建项中为它重新创建项

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存管理的内存管理

当一个页被调出内存时，当一个页被调出内存时， Windows 2000/XWindows 2000/XPP 将其存入称为页文件将其存入称为页文件 (page file)(page file) 的盘交的盘交换文件中。换文件中。 Windows 2000/XPWindows 2000/XP 可以支持多可以支持多达达 1616 个盘交换文件个盘交换文件

物理地址扩展物理地址扩展 (PAE, Physical Address E(PAE, Physical Address Extension)xtension)

Physical Address Extension (PAE) allows for up to 64 gigabytes of memory to be used in 32 bit systems

PAE is provided by Intel Pentium Pro and above CPUs (including all Pentium-series processors except the original Pentium and the Pentium MMX ), as well as by some compatible processors such as those from AMD .

On Microsoft Windows  this mechanism is the Address Windowing Extension (AWE)

物理地址扩展物理地址扩展 (PAE, Physical Addre(PAE, Physical Address Extension)ss Extension)

支持支持 PAEPAE 技术的技术的 WindowsWindows 系统系统 Windows Server 2003 Enterprise Edition Windows Server 2003 Enterprise Edition Windows Advanced Server, Limited Edition Windows Advanced Server, Limited Edition Windows 2000 Datacenter Server Windows 2000 Datacenter Server Windows 2000 Advanced Server Windows 2000 Advanced Server

To enable PAE, you must use the /PAE switch iTo enable PAE, you must use the /PAE switch in the Boot.ini file n the Boot.ini file

a 2-bit field, two 9-bit fields, and a 12-bit field ta 2-bit field, two 9-bit fields, and a 12-bit field that hat

物理地址扩展物理地址扩展 (PAE, Physical Address E(PAE, Physical Address Extension)xtension)

Address Windowing Address Windowing ExtensionsExtensions

Address Windowing Extensions (AWE) is a set of Address Windowing Extensions (AWE) is a set of extensions that allows an application to quickly extensions that allows an application to quickly manipulate physical memory greater than 4GB. manipulate physical memory greater than 4GB.

AWE allows applications to have data caches laAWE allows applications to have data caches larger than 4GB (where sufficient physical memorrger than 4GB (where sufficient physical memory is present). y is present).

AWE uses physical nonpaged memory and windAWE uses physical nonpaged memory and window views of various portions of this physical meow views of various portions of this physical memory within a 32-bit virtual address space. mory within a 32-bit virtual address space.

Address Windowing Address Windowing ExtensionsExtensions

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存分配的内存分配

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的虚拟内存管理器的虚拟内存管理器提供了丰富的系统服务提供了丰富的系统服务 (( 或称本机服务，或称本机服务，native service)native service) ，用户态进程可以通，用户态进程可以通过环境子系统使用本机服务的部分功过环境子系统使用本机服务的部分功能，从而使用户具有部分内存管理的能，从而使用户具有部分内存管理的能力。能力。

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存分配的内存分配

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 提供了三种内存分配的提供了三种内存分配的机制机制 以页面为单位的虚拟内存分配方法以页面为单位的虚拟内存分配方法 通过区域对象服务提供的大数据流和内存共享服务通过区域对象服务提供的大数据流和内存共享服务 内存堆方法内存堆方法

以页面为单位的虚拟内存分配方法以页面为单位的虚拟内存分配方法

适合于管理大型对象数据结构。对于以页面为单位的适合于管理大型对象数据结构。对于以页面为单位的虚拟内存， 虚拟内存， Windows 2000/XPWindows 2000/XP 指定了一种内存分配指定了一种内存分配的两阶段方法：保留内存和提交内存的两阶段方法：保留内存和提交内存

应用程序可以首先保留地址空间，然后向此地址空间应用程序可以首先保留地址空间，然后向此地址空间提交物理页面。这些功能是通过 提交物理页面。这些功能是通过 VirtualAllocVirtualAlloc 和和 VirtuVirtualAllocExalAllocEx 函数实现的，保留地址空间是为线程将来使函数实现的，保留地址空间是为线程将来使用所保留的一块虚拟地址。试图访问已保留内存会造用所保留的一块虚拟地址。试图访问已保留内存会造成访问冲突，因为这时内存页面还没有映射到一个可成访问冲突，因为这时内存页面还没有映射到一个可以满足这次访问的存储器上。在已保留的区域中，提以满足这次访问的存储器上。在已保留的区域中，提交页面必须指出将物理存储器提交到何处以及提交多交页面必须指出将物理存储器提交到何处以及提交多少。提交页面在访问时会转变为物理内存中的有效页少。提交页面在访问时会转变为物理内存中的有效页面面

以页面为单位的虚拟内存分配方法以页面为单位的虚拟内存分配方法 可以通过可以通过 VirtualFreeVirtualFree 或或 VirtualFreeExVirtualFreeEx 函数回收页面函数回收页面

或释放地址空间。回收和释放之间的区别与保留和提或释放地址空间。回收和释放之间的区别与保留和提交之间的区别相似——回收的内存仍然被保留，但是交之间的区别相似——回收的内存仍然被保留，但是释放的内存不被提交，也不被保留释放的内存不被提交，也不被保留

分两步保留和提交内存可以直到需要时才提交页面，分两步保留和提交内存可以直到需要时才提交页面，这样减少了内存的使用。保留内存是 这样减少了内存的使用。保留内存是 Windows 2000/Windows 2000/XPXP 中既快速又廉价的操作，因为它不消耗任何物理页中既快速又廉价的操作，因为它不消耗任何物理页面或进程页文件配额面或进程页文件配额

对于每一个进程，对于每一个进程， Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的虚拟内存管理的虚拟内存管理器维护一组虚拟地址描述符器维护一组虚拟地址描述符 (Virtue Address Descript(Virtue Address Descriptoror ，， VAD)VAD) 来描述进程虚拟空间的状态。虚拟地址描述来描述进程虚拟空间的状态。虚拟地址描述信息被构造成一棵自平衡二叉树以使查找更有效率信息被构造成一棵自平衡二叉树以使查找更有效率

以页面为单位的虚拟内存分配方法以页面为单位的虚拟内存分配方法范围： 20000000 到 2000FFFF保护限制：读 /写继承：有

范围： 00002000 到 0000FFFF保护限制：只读继承：无

范围： 4E000000 到 4F000000保护限制：复制可写入继承：有

范围： 32000000 到 3300FFFF保护限制：只读继承：无

范围： 7AAA0000 到 7AAA00FF保护限制：读 /写继承：无

虚拟地址描述信息树

通过区域对象服务提供的大数据流通过区域对象服务提供的大数据流和内存共享服务和内存共享服务

区域对象区域对象 (section object)(section object) 在在 Win32Win32 子系统中子系统中被称之为文件映射对象，表示可以被两个或更被称之为文件映射对象，表示可以被两个或更多进程所共享的内存块。区域对象也可以基于多进程所共享的内存块。区域对象也可以基于页文件。页文件。

区域对象和其他对象一样由对象管理器创建和区域对象和其他对象一样由对象管理器创建和删除，对象管理器负责用对象头来管理区域对删除，对象管理器负责用对象头来管理区域对象，而虚拟内存管理器定义区域对象的实体并象，而虚拟内存管理器定义区域对象的实体并实现对象服务实现对象服务

通过区域对象服务提供的大数据流通过区域对象服务提供的大数据流和内存共享服务和内存共享服务

可以调用可以调用 Win32 APIWin32 API函数函数 CreateFileMappingCreateFileMapping 创建区创建区域对象，其参数包括映射到区域对象的文件：句柄域对象，其参数包括映射到区域对象的文件：句柄 (( 或或是是 INVALID_HANDLE_VALUEINVALID_HANDLE_VALUE 表示页文件支持区域表示页文件支持区域 )) ，，还有可选的名字和安全描述符还有可选的名字和安全描述符

如果区域有名字，其他进程可以用如果区域有名字，其他进程可以用 OpenFileMappingOpenFileMapping打开它。打开它。

区域对象的大小可以远大于进程地址空间的大小，达区域对象的大小可以远大于进程地址空间的大小，达 226464BB ，这对于数据量很大的图像和多媒体应用十分有利。，这对于数据量很大的图像和多媒体应用十分有利。要访问一个非常大的区域对象，进程只能通过调用要访问一个非常大的区域对象，进程只能通过调用 MaMapViewOfFilepViewOfFile函数映射区域对象的一部分函数映射区域对象的一部分 ((叫做区域视叫做区域视图图 )) ，并指定映射范围。由于在一个时刻只有需要的区，并指定映射范围。由于在一个时刻只有需要的区域对象视图必须被映射到内存，进程可以只为映射视域对象视图必须被映射到内存，进程可以只为映射视图保留地址空间图保留地址空间

通过区域对象服务提供的大数据流通过区域对象服务提供的大数据流和内存共享服务和内存共享服务

应用程序可以通过将文件映射到它的地址空间来方便应用程序可以通过将文件映射到它的地址空间来方便地完成文件的地完成文件的 I/OI/O 操作。不仅用户应用程序使用区域对操作。不仅用户应用程序使用区域对象，系统也通过区域对象加载可执行映像、动态链接象，系统也通过区域对象加载可执行映像、动态链接库库 DLLDLL 以及设备驱动程序到内存，高速缓存管理器使以及设备驱动程序到内存，高速缓存管理器使用它们在缓存文件中存取数据用它们在缓存文件中存取数据

像大多数的现代操作系统一样，像大多数的现代操作系统一样， Windows 2000/XPWindows 2000/XP 提提供了在进程和操作系统之间共享内存的机制。共享内供了在进程和操作系统之间共享内存的机制。共享内存可以定义为对于多个进程都是可见的内存，或者存存可以定义为对于多个进程都是可见的内存，或者存在于多个进程的虚拟地址空间的内存。当两个进程对在于多个进程的虚拟地址空间的内存。当两个进程对同一区域对象建立视图时，就发生了对该区域对象的同一区域对象建立视图时，就发生了对该区域对象的共享共享

区域

最大规模页保护限制页文件 / 映射文件基准的 /非基准的

创建区域打开区域扩展区域映射 /非映射区域查询区域

对象类型

对象体属性

服务程序

内存堆方法内存堆方法 内存堆方法适合于大量的小型内存申请。堆是保留的内存堆方法适合于大量的小型内存申请。堆是保留的

地址空间中一个或多个页组成的区域，这个地址区域地址空间中一个或多个页组成的区域，这个地址区域可以由堆管理器按更小块划分和分配。堆管理器是执可以由堆管理器按更小块划分和分配。堆管理器是执行体中分配和回收可变内存的函数集行体中分配和回收可变内存的函数集

进程启动时带有一个默认进程堆，通常是进程启动时带有一个默认进程堆，通常是 1MB1MB 大小。大小。进程也可以使用进程也可以使用 HeapCreateHeapCreate 函数创建另外的私有堆。函数创建另外的私有堆。当进程不再需要私有堆时，可以通过调用当进程不再需要私有堆时，可以通过调用 HeapDestroHeapDestroyy 释放虚拟地址空间。为了从默认堆中分配内存，线程释放虚拟地址空间。为了从默认堆中分配内存，线程必须调用必须调用 GetProcessHeapGetProcessHeap函数得到一个指向它的句函数得到一个指向它的句柄。有了句柄后，线程可以调用柄。有了句柄后，线程可以调用 HeapAllocHeapAlloc 和和 HeapFrHeapFreeee 来从堆中分配和回收内存块来从堆中分配和回收内存块

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的内存分配的内存分配 以上三种以上三种 Windows 2000/XPWindows 2000/XP 用户空间内存的分配方式，用户空间内存的分配方式，

虚拟内存管理器还为设备驱动程序以及其他核心态组件提虚拟内存管理器还为设备驱动程序以及其他核心态组件提供了大量的系统内存分配服务，如分配和释放物理内存、供了大量的系统内存分配服务，如分配和释放物理内存、锁定物理内存页面实现直接内存访问锁定物理内存页面实现直接内存访问 (DMA)(DMA)等等

Windows 2000/XPWindows 2000/XP 的系统空间包含分页缓冲池和非分页的系统空间包含分页缓冲池和非分页缓冲池两种内存缓冲池，核心态组件可以用它们来分配系缓冲池两种内存缓冲池，核心态组件可以用它们来分配系统内存。统内存。 非分页缓冲池由长驻物理内存的系统虚拟地址区域组成，在任何非分页缓冲池由长驻物理内存的系统虚拟地址区域组成，在任何

时候，从任何时候，从任何 IRQLIRQL 级和任何进程上下文都可以访问级和任何进程上下文都可以访问 分页缓冲池是系统空间中可以被分页和换出的虚拟内存区域。分页缓冲池是系统空间中可以被分页和换出的虚拟内存区域。 两种内存缓冲池均位于系统空间，并被映射到每个进程的虚拟地两种内存缓冲池均位于系统空间，并被映射到每个进程的虚拟地

址空间址空间