<学习笔记>Windows驱动开发技术详解__Windows内存管理

作为开发Windows驱动程序的程序员，需要比普通程序员更多了解Windows内部的内存管理机制，并在驱动程序中有效地使用内存。在驱动程序的编写中，分配和管理内存不能使用熟知的Win32 API函数，取而代之的是DDK提供的高效内核函数。C语言和C++中大多数关于内存操作的运行时函数，大多在内核模式下是无法使用的。例如，C语言中的malloc函数和C++中的new操作符等。

 

内存管理的概念：

 

1.物理内存：

PC上有三条总线，分别是数据总线，地址总线和控制总线。32位的CPU寻址能力是4GB。用户最多可以使用4GB的真实物理内存。PC中会拥有许多设备，其中很多设备都拥有自己的设备内存，这部分的设备内存会映射到PC机的物理内存上，读写这段物理地址其实会读写设备内存地址。

 

2虚拟内存：

.虽然可以寻址4GB的内存，而PC里往往没有如此多的真实物理内存。操作系统和硬件为使用者提供了虚拟内存的概念。虚拟内存和物理内存之间的转换暂不讨论。

 

3.用户模式地址和内核模式地址：

虚拟地址在0~0X7FFFFFFF范围内的虚拟内存，即低2GB的虚拟地址，被称为用户模式地址。而0X80000000~0XFFFFFFFF范围内的虚拟内存，即高2GB的虚拟内存，被称为内核模式地址。

 

4.Windows驱动程序和进程的关系：

驱动程序可以看成一个特殊的DLL文件被应用程序加载到虚拟内存中，只不过加载地址是内核模式地址，而不是用户模式地址。

 

5.分页和非分页内存：

Windows规定有些虚拟内存页面是可以交换到文件中的，这类内存成为分页内存。而有些虚拟内存页永远不会交换到文件中，这些内存被称为非分页内存。

当程序的中断请求级在DISPATCH_LEVEL之上时，程序只能使用非分页内存，否则会导致蓝屏死机。

在编译DDK提供的例程时，可以指定某个例程和某个全局变量是载入分页内存还是非分页内存，需要做如下定义：

[cpp]  view plain  copy

1. #define PAGEDCODE code_seg("PAGE")  
2. #define LOCKEDCODE code_seg()  
3. #define INITCODE code_seg("INIT")  
4.   
5. #define PAGEDDATA data_seg("PAGE")  
6. #define LOCKEDDATA data_seg()  
7. #define INITDATA data_seg("INIT")  

如果将某个函数在入到分页内存，我们需要在函数的实现中加入如下代码：

[cpp]  view plain  copy

1. #pragma INITCODE  

[cpp]  view plain  copy

1. VOID SomeFunction()  
2. {  
3.       PAGED_CODE();  
4.       //do something  
5. }  

如果要让程序加载到非分页内存，需要在函数的实现中加入如下代码：

[cpp]  view plain  copy

1. #pragma LOCKEDCODE  
2. VOID SomeFunction()  
3. {  
4.       //do something  
5. }  

还有一种特殊情况，就是某个例程初始化的时候载入内存，然后就可以从内存中卸载掉，例如DriverEntry

[cpp]  view plain  copy

1. #pragma INITCODE  
2. extern "C" NTSTATUS DriverEntry(  
3.                            IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject,  
4.             IN PUNICODE_STRING pRegistryPath  
5.                              )  
6. {  
7.   
8. }  

 

6.内存的分配：

Windows驱动程序使用的内存资源非常珍贵，局部变量是在栈（stack）空间中，但是驱动程序的栈空间不会像应用程序那么大，所以不适合进行递归调用或者局部变量是大型的结构体，否则请在堆（Heap）中申请。

堆中申请内存的函数有以下几个：

[cpp]  view plain  copy

1. PVOID   
2. ExAllocatePool(  
3.         IN POOL_TYPE PoolType,   
4.         IN SIZE_T NumberOfBytes  
5.         );  
6.   
7. PVOID   
8. ExAllocatePoolWithTag(  
9.         IN POOL_TYPE PoolType,   
10.         IN SIZE_T NumberOfBytes,   
11.         IN ULONG Tag   
12.         );  
13.   
14. PVOID   
15. ExAllocatePoolWithQuota(   
16.         IN POOL_TYPE PoolType,  
17.         IN SIZE_T NumberOfBytes   
18.         );  
19.   
20. PVOID   
21. ExAllocatePoolWithQuotaTag(  
22.         IN POOL_TYPE PoolType,  
23.         IN SIZE_T NumberOfBytes,  
24.         IN ULONG Tag   
25.         );  

其中有些重要的参数：

PoolType: 是个枚举变量，如果此值为NonPagedPool，则分配非分页内存。如果次值为PagedPool，则分配内存分页内存。

NumberOfBytes：是分配内存的大小，注意最好是4的倍数。

以上四个函数功能类似，函数以WithQuota结尾的代表分配的时候按额分配。以WithTag结尾的函数和ExAllocatePool功能类似，唯一不同的是多了一个Tag参数，

系统要求的内存外又额外地多分配4个字节的标签。在调试的时候，可以找出是否有标有这个标签的内存没有被释放。

 

将分配的内存，进行回收的函数原型如下：

[cpp]  view plain  copy

1. VOID  
2. ExFreePool(   
3.     IN PVOID P  
4.          );  
5.   
6. NTKERNELAPI  
7. VOID  
8. ExFreePoolWithTag(  
9.     IN PVOID P,  
10.     IN ULONG Tag  
11.   );  

参数P就是要释放的内存。

 

在内存中使用链表：

链表中可以记录整形，浮点型，字符型或者程序员自定义的数据结构。对于单链表，元素中有一个Next指针指向下一个元素。对于双链表，每个元素有两个指针：BLINK指向前一个元素，FLINK指向下一个元素。

 

1.链表的结构：

DDK提供了标准的双向链表。双向链表可以将链表形成一个环。以下是DDK提供的双向链表的数据结构：

[cpp]  view plain  copy

1. typedef struct _LIST_ENTRY {  
2.    struct _LIST_ENTRY *Flink;  
3.    struct _LIST_ENTRY *Blink;  
4. } LIST_ENTRY, *PLIST_ENTRY  

这个结构体只有指针没有数据。

 

2.链表的初始化：

每个双向链表都是以链表头作为链表的第一个元素。初次使用链表头需要进行初始化，主要将链表头的Flink和Blink两个指针都指向自己。初始化链表头用InitiallizeListHead宏实现。判断链表头是否为空,DDK提供了一个宏简化这种检查，这就是IsListEmpty。

[cpp]  view plain  copy

1. IsListEmpty(&head);  

程序员需要自己定义链表中每个元素的数据类型，并将LIST_ENTRY结构作为自定义结构的一个子域。例如：

[cpp]  view plain  copy

1. typedef struct _MYDATASTRUCT  
2. {  
3.     LIST_ENTRY ListEntry;  
4.     ULONG x;  
5.     ULONG y;  
6. }MYDATASTRUCT,*PMYDATASTRCUT;  

3.插入链表：

对链表的插入有两种方式，一种是在链表的头部插入，一种是在链表的尾部插入。

在头部插入链表使用语句InsertHeadList，用法如下：

[cpp]  view plain  copy

1. InsertHeadList(&head,&mydata->ListEntry);  

在尾部插入链表使用语句InsertTailList，用法如下：

[cpp]  view plain  copy

1. InsertTailList(&head,&mydata->ListEntry);  

 

4.链表的删除：

和插入链表一样，删除链表也有两种方法。一种从头部删除，一种从尾部删除。分别对应RemoveHeadList和RemoveTailList函数。其使用方法如下：

[cpp]  view plain  copy

1. PLIST_ENTRY = RemoveHeadList(&head);  
2.   
3. PLIST_ENTRY = RemoveTailList(&head);  

 

下面代码完整演示向链表进行插入，删除等操作，其主要代码如下：

[cpp]  view plain  copy

1. typedef struct _MYDATASTRUCT  
2. {  
3.     ULONG number;  
4.     LIST_ENTRY ListEntry;  
5. }MYDATASTRUCT,*PMYDATASTRCUT;  
6.   
7. #pragma INITCODE  
8. VOID LinkListTest()  
9. {  
10.     LIST_ENTRY linkListHead;  
11.     //初始化链表  
12.     InitializeListHead(&linkListHead);  
13.       
14.     PMYDATASTRCUT pData;  
15.     ULONG i = 0;  
16.     //在链表中插入10个元素  
17.   
18.     KdPrint(("Begain insert to link list"));  
19.     for (i = 0 ; i < 10 ; i++)  
20.     {  
21.         pData = (PMYDATASTRCUT)  
22.                  ExAllocatePool(PagedPool,sizeof(MYDATASTRUCT));  
23.         pData->number = i;  
24.         InsertHeadList(&linkListHead,&pData->ListEntry);  
25.     }  
26.     //从链表中取出，并显示  
27.     KdPrint(("Begain remove from link list\n"));  
28.     while (!IsListEmpty(&linkListHead))  
29.     {  
30.         PLIST_ENTRY pEntry = RemoveTailList(&linkListHead);  
31.         pData = CONTAINING_RECORD(pEntry,  
32.                           MYDATASTRUCT,  
33.                           ListEntry);  
34.         KdPrint(("%d\n",pData->number));  
35.         ExFreePool(pData);  
36.     }  
37. }  

在DebugView中打印log信息：

 

Lookaside结构：

频繁申请和回收内存，会导致在内存上产生大量的内存“空洞”，从而导致最终无法申请内存。DDK为程序员提供了Lookaside结构来解决这个问题。

 

1.使用Lookaside：

Lookaside一般会在一下情况使用：

（1）程序员每次申请固定大小的内存

（2）申请和回收的操作十分频繁

使用Lookaside对象，首先要初始化Lookaside对象，有以下两个函数可以使用：

[cpp]  view plain  copy

1. VOID  
2. ExInitializeNPagedLookasideList(  
3.             IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside,   
4.             IN PALLOCATE_FUNCTION Allocate,   
5.             IN PFREE_FUNCTION Free,  
6.             IN ULONG Flags,   
7.             IN SIZE_T Size,  
8.             IN ULONG Tag,  
9.             IN USHORT Depth   
10.             );  
11.   
12. VOID  
13. ExInitializePagedLookasideList(   
14.             IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside,  
15.             IN PALLOCATE_FUNCTION Allocate,   
16.             IN PFREE_FUNCTION Free,   
17.             IN ULONG Flags,  
18.             IN SIZE_T Size,  
19.             IN ULONG Tag,  
20.             IN USHORT Depth  
21.             );  

这两个函数分别对非分页和分页Lookaside对象进行初始化。

在初始化完Lookaside对象后，可以进行申请内存的操作了，有以下两个函数：

[cpp]  view plain  copy

1. PVOID  
2. ExAllocateFromNPagedLookasideList(  
3.             IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside   
4.                   );  
5.   
6. PVOID  
7. ExAllocateFromPagedLookasideList(  
8.             IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside  
9.                  );  

这两个函数分别是对非分页和分页内存的申请。

对Lookaside对象进行回收内存的操作，有以下两个函数：

[cpp]  view plain  copy

1. VOID  
2. ExFreeToNPagedLookasideList(   
3.                 IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside,  
4.                 IN PVOID Entry  
5.                 );  
6.   
7. VOID  
8. ExFreeToPagedLookasideList(   
9.                 IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside,  
10.                 IN PVOID Entry   
11.                 );  

这两个函数分别是对非分页和分页内存的回收。

在使用完Lookaside对象后，需要删除Lookaside对象，有以下两个函数：

[cpp]  view plain  copy

1. VOID  
2. ExDeleteNPagedLookasideList(  
3.                 IN PNPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside  
4.                 );  
5.   
6. VOID  
7. ExDeletePagedLookasideList(   
8.                 IN PPAGED_LOOKASIDE_LIST Lookaside  
9.                 );  

下面代码完整展示Lookaside对象的使用：

[cpp]  view plain  copy

1. #pragma INITCODE  
2. VOID LookasideTest()  
3. {  
4.     //初始化Lookaside对象  
5.     PAGED_LOOKASIDE_LIST pageList;  
6.     ExInitializePagedLookasideList(&pageList,  
7.                                  NULL,NULL,0,  
8.                                  sizeof(MYDATASTRUCT),  
9.                                  '1234',  
10.                                  0);  
11. #define ARRAY_NUMBER 50  
12.     PMYDATASTRUCT MyObjectArray[ARRAY_NUMBER];  
13.     //模拟频繁申请内存  
14.     for (int i = 0 ; i < ARRAY_NUMBER ; i++)  
15.     {  
16.         MyObjectArray[i] =   
17.             (PMYDATASTRUCT)ExAllocateFromPagedLookasideList(&pageList);  
18.     }  
19.     //模拟频繁回收内存  
20.     for (i = 0 ; i < ARRAY_NUMBER ; i++)  
21.     {  
22.         ExFreeToPagedLookasideList(&pageList,MyObjectArray[i]);  
23.         MyObjectArray[i] = NULL;  
24.     }  
25.     //删除Lookaside对象  
26.     ExDeletePagedLookasideList(&pageList);  
27. }  

运行时函数：

 

1.内存间复制（非重叠）

在驱动程序开发中，经常用到内存的复制。DDK为程序员提供了以下函数：

[cpp]  view plain  copy

1. VOID  
2. RtlCopyMemory(   
3.         IN VOID UNALIGNED *Destination,   
4.         IN CONST VOID UNALIGNED *Source,   
5.         IN SIZE_T Length  
6.         );  

Destination:表示要复制内存的目的地址

Source：表示要复制内存的源地址

Length：表示要复制内存的长度，单位是字节

 

2.内存间的复制（可重叠）

函数原型：

[cpp]  view plain  copy

1. VOID  
2. RtlMoveMemory(   
3.         IN VOID UNALIGNED *Destination,  
4.         IN CONST VOID UNALIGNED *Source,   
5.         IN SIZE_T Length  
6.         );  

Destination:表示要复制内存的目的地址

Source：表示要复制内存的源地址

Length：表示要复制内存的长度，单位是字节

 

3.内存填充：

驱动程序开发中，还经常用到对某段内存区域用固定字节填充。DDK为程序员提供了函数RtlFillMemory。它在IA32平台下也是个宏，实际是memset函数。

[cpp]  view plain  copy

1. VOID  
2. RtlFillMemory(   
3.        IN VOID UNALIGNED *Destination,   
4.        IN SIZE_T Length,  
5.        IN UCHAR Fill  
6.        );  

Destination：目的地址

Length：长度

Fill：需要填充的字节

 

在驱动开发中，还经常需要对某段内存填零，DDK提供的宏是RtZeroBytes和RtZeroMemory。

[cpp]  view plain  copy

1. VOID  
2. RtlZeroMemory(  
3.        IN VOID UNALIGNED *Destination,   
4.        in SIZE_T Length  
5.        );  

Destination：目的地址

Length：长度

 

4.内存比较：

驱动开发中，还会用到比较两块内存是否一致。该函数是RtlCompareMemory,其申明是：

[cpp]  view plain  copy

1. ULONG  
2. RtlEqualMemory(  
3.       CONST VOID *Source1,  
4.       CONST VOID *Source2  
5.       SIZE_T Length  
6.        );  

Source1:比较的第一个内存地址

Source2:比较的第二个内存地址
Length:比较的长度，单位为字节

 

将这些运行时函数统一做一个实验，代码如下：

[cpp]  view plain  copy

1. #define BUFFER_SIZE 1024  
2. #pragma INITCODE  
3. VOID RtTest()  
4. {  
5.     PUCHAR pBuffer = (PUCHAR)ExAllocatePool(PagedPool,BUFFER_SIZE);  
6.     //用零填充内存  
7.     RtlZeroMemory(pBuffer,BUFFER_SIZE);  
8.   
9.     PUCHAR pBuffer2 = (PUCHAR)ExAllocatePool(PagedPool,BUFFER_SIZE);  
10.     //用固定字节填充内存  
11.     RtlFillMemory(pBuffer,BUFFER_SIZE,0xAA);  
12.   
13.     //内存拷贝  
14.     RtlCopyMemory(pBuffer,pBuffer2,BUFFER_SIZE);  
15.   
16.     //判断内存是否一致  
17.     ULONG ulRet = RtlCompareMemory(pBuffer,pBuffer2,BUFFER_SIZE);  
18.     if (ulRet == BUFFER_SIZE)  
19.     {  
20.         KdPrint(("The two blocks are same\n"));  
21.     }  
22. }