Несмотря на упоминание Windows-функций управления памятью в режиме ядра и выделения памяти для драйверов устройств, мы будем рассматривать не столько интерфейсы и особенности их программирования, сколько внутренние принципы работы этих функций. Полное описание доступных функций и их интерфейсов см. в документации Platform SDK и DDK.

Виртуальное адресное пространство делится на единицы, называемые страницами. Это вызвано тем, что аппаратный блок управления памятью транслирует виртуальные адреса в физические по страницам. Поэтому страница — наименьшая единица защиты на аппаратном уровне. (Различные параметры защиты страниц описываются в разделе «Защита памяти» далее в этой главе.) Страницы бывают двух размеров: малого и большого. Реальный размер зависит от аппаратной платформы (см. таблицу 7–1).

Преимущество больших страниц — скорость трансляции адресов для ссылок на другие данные в большой странице. Дело в том, что первая ссылка на любой байт внутри большой страницы заставляет аппаратный ассоциативный буфер трансляции (translation look-aside buffer, TLB) (см. раздел «Ассоциативный буфер трансляции» далее в этой главе) загружать в свой кэш информацию, необходимую для трансляции ссылок на любые другие байты в этой большой странице. При использовании малых страниц для того же диапазона виртуальных адресов требуется больше элементов TLB, что заставляет чаще обновлять элементы по мере трансляции новых виртуальных адресов. A это в свою очередь требует чаще обращаться к структурам таблиц страниц при ссылках на виртуальные адреса, выходящие за пределы данной малой страницы. TLB — очень маленький кэш, и поэтому большие страницы обеспечивают более эффективное использование этого ограниченного ресурса.

Чтобы задействовать преимущества больших страниц в системах с достаточным объемом памяти (см. минимальные размеры памяти в таблице 7–2), Windows проецирует на такие страницы базовые образы операционной системы (Ntoskrnl.exe и Hal.dll) и базовые системные данные (например, начальную часть пула неподкачиваемой памяти и структуры данных, описывающие состояние каждой страницы физической памяти). Windows также автоматически проецирует на большие страницы запросы объемного ввода-вывода (драйверы устройств вызывают MmMapIoSpace), если запрос удовлетворяет длине и выравниванию для большой страницы. Наконец, Windows разрешает приложениям проецировать на такие страницы свои образы, закрытые области памяти и разделы, поддерживаемые страничным файлом (pagefile-backed sections). (См. описание флага MEM_LARGE_PAGE функции VirtualAlloc.) Вы можете указать, чтобы и другие драйверы устройств проецировались на большие страницы, добавив многострочный параметр реестра HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Memory Management\LargePageDrivers и задав имена драйверов как отдельные строки с нулем в конце.

Один из побочных эффектов применения больших страниц заключается в следующем. Так как аппаратная защита памяти оперирует страницами как наименьшей единицей, то, если на большой странице содержатся код только для чтения и данные для записи/чтения, она должна быть помечена как доступная для чтения и записи, т. е. код станет открытым для записи. A значит, драйверы устройств или другой код режима ядра мог бы в результате скрытой ошибки модифицировать код операционной системы или драйверов, изначально предполагавшийся только для чтения, и не вызвать нарушения доступа к памяти. Однако при использовании малых страниц для проецирования ядра части NTOSKRNL.EXE и HAL.DLL только для чтения будут спроецированы именно как страницы только для чтения. Хотя это снижает эффективность трансляции адресов, зато при попытке драйвера устройства (или другого кода режима ядра) модифицировать доступную только для чтения часть операционной системы произойдет немедленный крах с указанием на неверную инструкцию. Поэтому, если вы подозреваете, что источник ваших проблем связан с повреждением кода ядра, включите Driver Verifier — это автоматически отключит использование больших страниц.

Страницы в адресном пространстве процесса могут быть свободными (free), зарезервированными (reserved) или переданными (committed). Приложения могут резервировать (reserve) адресное пространство и передавать память (commit) зарезервированным страницам по мере необходимости. Резервировать страницы и передавать им память можно одним вызовом. Эти сервисы предоставляются через Windows-функции VirtualAlloc и VirtualAllocEx.

Резервирование адресного пространства позволяет потоку резервировать диапазон виртуальных адресов для последующего использования. Попытка доступа к зарезервированной памяти влечет за собой нарушение доступа, так как ее страницы не спроецированы на физическую память.

При попытке доступа адреса переданных страниц в конечном счете транслируются в допустимые адреса страниц физической памяти. Переданные страницы могут быть закрытыми (не предназначенными для разделения с другими процессами) или спроецированными на представление объекта-раздела (на которое в свою очередь могут проецировать страницы другие процессы).

Закрытые страницы процесса, к которым еще не было обращения, создаются при первой попытке доступа как обнуленные. Закрытые переданные страницы могут впоследствии записываться операционной системой в страничный файл (в зависимости от текущей ситуации). Такие страницы недоступны другим процессам, если только они не используют функции ReadProcessMemory или WriteProcessMemory. Если переданные страницы спроецированы на часть проецируемого файла, их скорее всего придется загрузить с диска — при условии, что они не были считаны раньше из-за обращения к ним того же или другого процесса, на который спроецирован этот файл.

Страницы записываются на диск по обычной процедуре записи модифицированных страниц, которые перемещаются из рабочего набора процесса в список модифицированных страниц и в конечном счете на диск (о рабочих наборах и списке модифицированных страниц — чуть позже). Страницы проецируемого файла можно сбросить на диск явным вызовом функции FlushViewOfFile.

Для возврата страниц (decommitting) и/или освобождения виртуальной памяти предназначена функция VirtualFree или VirtualFreeEx. Различия между возвратом и освобождением страниц такие же, как между резервированием и передачей: возвращенная память все еще зарезервирована, тогда как освобожденная память действительно свободна и не является ни переданной, ни зарезервированной.

Такой двухэтапный процесс (резервирование и передача) помогает снизить нагрузку на память, откладывая передачу страниц до реальной необходимости в них. Резервирование памяти — операция относительно быстрая и не требующая большого количества ресурсов, поскольку в данном случае не расходуется ни физическая память (драгоценный системный ресурс), ни квота процесса на ресурсы страничного файла (число страниц, передаваемых процессу из страничного файла). При этом нужно создать или обновить лишь сравнительно небольшие внутренние структуры данных, отражающие состояние адресного пространства процесса. (Об этих структурах данных, называемых дескрипторами виртуальных адресов, или VAD, мы расскажем потом.)

Резервирование памяти с последующей ее передачей особенно эффективно для приложений, нуждающихся в потенциально большой и непрерывной области виртуальной памяти: зарезервировав требуемое адресное пространство, они могут передавать ему страницы порциями, по мере необходимости. Эта методика применяется и для организации стека пользовательского режима для каждого потока. Такой стек резервируется при создании потока. (Его размер по умолчанию — 1 Мб; другой размер стека для конкретного потока можно указать при вызове CreateThread. Если вы хотите изменить его для всех потоков процесса, укажите при сборке программы флаг /STACK.) По умолчанию стеку передается только начальная страница, а следующая страница просто помечается как сторожевая (guard page). За счет этой страницы, которая служит своего рода ловушкой для перехвата ссылок за ее пределы, стек расширяется только по мере заполнения.