Виртуальное адресное пространство каждого процесса разбивается на разделы. Их размер и назначение в какой-то мере зависят от конкретного ядра Windows (таблица 13-1)
Как видите, ядра 32- и 64-разрядной Windows 2000 создают разделы, почти одинаковые по назначению, но отличающиеся по размеру и расположению. Однако ядро Windows 98 формирует другие разделы. Давайте рассмотрим, как система использует каждый из этих разделов.
| Раздел | 32-разрядная Windows 2000 (на х86 и Alpha) | 32-разрядная Windows 2000 (на х86 с ключом /3GB) | 64-разрядная Windows 2000 (на Alpha и А-64) | Windows 98 |
| Для выявления | 0x00000000 | 0x00000000 | 0x00000000 00000000 | 0x00000000 |
| нулевых указателей | 0x0000FFFF | 0x0000FFFF | 0x00000000 0000FFFF | 0x00000FFF |
| Для совместимости с программами DOS и 16-разрядной Windows | Hет | Нет | Нет | 0x00001000 0x003FFFFF |
| Для кода и данных | 0x00010000 | 0x00010000 | 0x00000000 00010000 | 0x00400000 |
| пол ьзовател ьс кого режима | 0x7FFEFFFF | 0xBFFFFFFF | 0x000003FF FFFEFFFF | 0x7FFFFFFF |
| Закрытый, | 0x7FFF0000 | 0xBFFF0000 | 0x000003FF FFFF0000 | Нет |
| размером 64 Кб | 0x7FFFFFFF | 0xBFFFFFFF | 0x000003FF FFFFFFFF | |
| Для общих MMF (файлов, проецируемых в память) | Нет | Нет | Нет | 0x80000000 0xBFFFFFFF |
| Для кода и данных | 0x800000000 | 0xC0000000 | 0x00000400 00000000 | 0xC0000000 |
| режима ядра | 0xFFFFFFFF | 0xFFFFFFFF | 0xFFFFFFFF FFFFFFFF | 0xFFFFFFFF |
Таблица 13-1. Так адресное пространство процесса разбивается на разделы
NOTE:
Microsoft активно работает над 64-разрядной Windows 2000. На момент напиcания книги эта система все еще находилась в разработке. Информацию по 64разрядной Windows 2000 следует учитывать при проектировании и реализации текущих проектов Однако Вы должны понимать, что какие-то детали скорее всего изменятся к моменту выхода 64-разрядной Windows 2000. То же самое относится и к конкретным диапазонам разделов виртуального адресного пространства и размеру страниц памяти на процессорах IA-64 (64-разрядной архитектуры Intel).
Раздел для выявления нулевых указателей (Windows 2000 и Windows 98)
Этот раздел адресного пространства резервируется для того, чтобы программисты могли выявлять нулевые указатели. Любая попытка чтения или записи в память по этим адресам вызывает нарушение доступа.
Довольно часто в программах, написанных на С/С++, отсутствует скрупулезная обработки ошибок. Например, в следующем фрагменте кода такой обработки вообще нет:
int* pnSomeInteger = (int*) malloc(sizeof(int));
*pnSomeInteger = 5;
При нехватке памяти malloc вернет NULL. Ho код не учитывает эту возможность и при ошибке обратится к памяти по адресу 0x00000000 А поскольку этот раздел адресного пространства заблокирован, возникнет нарушение доступа и данный процесс завершится Эта особенность помогает программистам находить «жучков* в своих приложениях.
Раздел для совместимости с программами DOS и 16-разрядной Windows (только Windows 98)
Этот регион размером 4 Мб в адресном пространстве процесса необходим Windows 98 для поддержки совместимости с программами MS-DOS и 16-разрядной Windows. He пытайтесь обращаться к нему из 32-разрядных Windows-приложений. В идеале процессор должен был бы генерировать нарушение доступа при обращении потока к этому участку адресного пространства, но по техническим причинам Microsoft не смогла заблокировать эти 4 Мб адресного пространства.
В Windows 2000 программы для MS-DOS и 16-разрядной Windows выполняются в собственных адресных пространствах; 32-разрядные приложения повлиять на них пе могут.
Раздел для кода и данных пользовательского режима (Windows 2000 и Windows 98)
В этом разделе располагается закрытая (неразделяемая) часть адресного пространства процесса. Ни один процесс не может получить доступ к данным другого процесса, размещенным в этом разделе. Основной объем данных, принадлежащих процессу, хранится именно здесь (это касается всех приложений) Поэтому приложения менее зависимы от взаимных «капризов", и вся система функционирует устойчивее
WINDOWS2000
В Windows 2000 сюда загружаются все EXE- и DLL-модули В каждом процессе эти DLL можно загружать по разным адресам в пределах данного раздела, но так делается крайне редко. На этот же раздел отображаются все проецируемые в память файлы, доступные данному процессу
WINDOWS 98
В Windows 98 основные 32-разрядные системные DLL (Kernel32.dll, AdvAPI32.dll, User32.dll и GDI32.dll) загружаются в раздел для общих MMF (проецируемых в память файлов), a EXE- и остальные DLL-модули — в раздел для кода и данных пользовательского режима. Общие DLL располагаются по одному и тому же виртуальному адресу во всех процессах, но другие DLL могут загружать их (общие DLL) по разным адресам в границах раздела для кода и данных пользовательского режима (хотя это маловероятно). Проецируемые в память файлы в этот раздел никогда не помещаются
Впервые увидев адресное пространство своего 32-разрядного процесса, я был удивлен тем, что его полезный объем чуть ли не вдвое меньше. Неужели раздел для кода и данных режима ядра должен занимать столько места? Оказывается — да .Это пространство нужно системе для кода ядра, драйверов устройств, кэш-буферов ввода-вывода, областей памяти, не сбрасываемых в файл подкачки, таблиц, используемых для контроля страниц памяти в процессе и т д По сути, Microsoft едва-едва втиснула ядро в эти виртуальные два гигабайта. В 64-разрядной Windows 2000 ядро наконец получит то пространство, которое ему нужно на самом деле.
Увеличение раздела для кода и данных пользовательского режима до 3 Гб на процессорах x86 (только Windows 2000)
Многие разработчики уже давно сетовали на нехватку адресного пространства для пользовательского режима. Microsoft пошла навстречу и предусмотрела в версиях Windows 2000 Advanced Server и Windows 2000 Data Center для процессоров x86 возможность увеличения этого пространства до 3 Гб. Чтобы все процессы использовали раздел для кода и данных пользовательского режима размером 3 Гб, а раздел для кода и данных режима ядра — объемом 1 Гб, Вы должны добавить ключ /3GB к нужной записи в системном файле Boot.ini. Как выглядит адресное пространство процесса в этом случае, показано в графе «32-разрядная Windows 2000 (на x86 с ключом /3GB)" таблицы 13-1.
Раньше, когда такого ключа не было, программа не видела адресов памяти по указателю с установленным старшим битом. Некоторые изобретательные разработчики самостоятельно использовали этот бит как фляг, который имел смысл только в их приложениях. При обращении программы no адресам за пределами 2 Гб предварительно выполнялся специальный код, который сбрасывал старший бит указателя Но, как Вы понимаете, когда приложение на свой страх и риск создает себе трехгигабайтовую среду пользовательского режима, оно может с треском рухнуть.
Microsoft пришлось придумать решение, которое позволило бы подобным приложениям работать в трехгигабайтовой среде Теперь система в момент запуска приложения проверяет, не скомпоновано ли оно с ключом /LARGEADDRESSAWARE. Если да, приложение как бы заявляет, что обязуется корректно обращаться с этими адресами памяти и действительно готово к использованию трехгигабайтового адресного пространства пользовательского режима. А если пет, операционная система резервирует область памяти размером 1 Гб в диапазоне адресов от 0x80000000 до 0xBFFFFFFF. Это предотвращает выделение памяти по адресам с установленным старшим битом.
Заметьте, что ядро и так с трудом умещается в двухгигабайтовом разделе. Но при использовании ключа /3GB ядру остается Bceго 1 Гб. Тем самым уменьшается количество потоков, стеков и других ресурсов, которые система могла бы предоставить приложению. Кроме того, система в этом случае способна задействовать максимум 16 Гб оперативной памяти против 64 Гб в нормальных условиях — из-за нехватки виртуального адресного пространства для кода и данных режима ядра, необходимого для управления дополнительной оперативной памятью
NOTE:
Флаг LARGEADDRESSAWARE в исполняемом файле проверяется в тот момент, когда операционная система создает адресное пространство процесса. Для DLL этот флаг игнорируется При написании DLL Вы должны сами позаботиться об их корректном поведении в трехгигабайтовом разделе пользовательского режима18}
Уменьшение раздела для кода и данных пользовательского режима до 2 Гб в 64-разрядной Windows 2000
Microsoft понимает, что многие разработчики захотят как можно быстрее перенести свои 32-разрндные приложения в 64-разрядную среду Но в исходном кодс любых программ полно таких мест, где предполагается, что указатели являются 32-разрядными значениями Простая перекомпиляция исходного кода приведет к ошибочному усечению указателей и некорректному обращению к памяти
Однако, если бы система как-то гарантировала, что память никогда не будет выделяться по адресам выше 0x00000000 7FFFFFFF, приложение работало бы нормально. И усечение 64-разрядного адреса до 32-разрядного, когда старшие 33 бита равны 0, не создало бы никаких проблем. Так вот, система дает такую гарантию при запуске приложения в «адресной песочнице" (address space sandbox), которая ограничивает полезное адресное пространство процесса до нижних 2 Гб
По умолчанию, когда Вы запускаете 64-разрядное приложение, система резервирует все адресное пространство пользовательского режима, начиная с 0x0000000 80000000, что обеспечивает выделение памяти исключительно в нижних 2 Гб 64-разрядного адресного пространства. Это и есть «адресная песочница». Большинству приложений этого пространства более чем достаточно. А чтобы 64-разрядное приложение могло адресоваться ко всему разделу пользовательского режима (объемом 4 Тб), его следует скомпоновать с ключом /LARGEADDRESSAWARE.
NOTE:
Флаг LARGEADDRESSAWARE в исполняемом файле проверяется в тот момент, когда операционная система создает адресное пространство 64-разрядного процесса Для DLL этот флаг игнорируется. При написании DLL Вы должны сами позаботиться об их корректном поведении в четырехтерабайтовом разделе пользовательского режима.
Закрытый раздел размером 64 Кб (только Windows 2000)
Этот раздел заблокирован, и любая попытка обращения к нему приводит к нарушению доступа Microsoft резервирует этот раздел специально, чтобы упростить внутреннюю реализацию операционной системы. Вспомните, когда Бы передаете Windows-функции адрес блока памяти и его размер, то она (функция), прежде чсм приступить к работе, проверяет, действителен ли данный блок. Допустим, Вы написали код:
BYTE bBuf[70000];
DWORD dwNumBytesWritTen;
WriteProcessMemory(GetCurrentProcess(), (PVOID) 0x7FFEEE90, bBuf, sizeof(bBuf), &dwNumBytesWntten);
В случае функций типа WriteProcessMemory область памяти, в которую предполагается запись, проверяется кодом, работающим в режиме ядра, — только он имеет право обращаться к памяти, выделяемой под код и данные режима ядра (в 32-разрядных системах — по адресам выше 0x80000000) Если по этому адресу есть память, вызов WriteProcessMemory, показанный выше, благополучно запишет данные в ту область памяти, которая, по идее, доступна только коду, работающему в режиме ядра. Чтобы предотвратить это и в то же время ускорить проверку таких областей памяти, Microsoft предпочла заблокировать данный раздел, и поэтому любая попытка чтения или записи в нем всегда вызывает нарушение доступа
Раздел для общих MMF (только Windows 98)
В этом разделе размером 1 Гб система хранитданные, разделяемые всеми 32-разрядными процессами. Сюда, например, загружаются все системные DLL (Kernel32.dll, | AdvAPI32 dll, User32.dll и GDI32 dll), и поэтому они доступны любому 32-разрядному I процессу Кроме того, эти DI.I. загружаются в каждом процессе по одному и тому же I адресу памяти. На этот раздел система также отображает все проецируемые в память я файлы. Об этих файлах мы поговорим в главе 17
Раздел для кода и данных режима ядра (Windows 2000 и Windows 98)
В этот раздел помещается код операционной системы, в том числе драйверы устройств и код низкоуровневого управления потоками, памятью, файловой системой, сетевой поддержкой. Все, что находится здесь, доступно любому процессу. В Windows 2000 эти компоненты полностью защищены Поток, который попытается обратиться по одному из адресов памяти в этом разделе, вызовет нарушение доступа, а это приведет к тому, что система в конечном счете просто закроет его приложение. (Подробнее на эту тему см. главы 23, 24 и 25.)
WINDOWS2000
В 64-разрядной Wmclows 2000 раздел пользовательского режима (4 Тб) выглядит непропорционально малым по сравнению с 16 777 212 Тб, отведенными под раздел для кода и данных режима ядра Дело не в том, что ядру так уж необходимо все это виртуальное пространство, a просто 64-разрядное адресное пространство настолько огромно, что его большая часть не задействована Система разрешает нашим программам использовать 4 Тб, а ядру — столько, сколько ему нужно. К счастью, какие-либо внутренние структуры данных для управления незадействованными частями раздела для кода и данных режима ядра не требуются.
WINDOWS98
В Windows 98 данные, размещенные в этом разделе, увы, не защищены — любое приложение может что-то считать или записать в нем и нарушить нормальную работу операционной системы.