前言
写这篇文章之前相当长的一段时间里，对windows内存机制是有着相当的困惑的。各个进程的内存空间是如何隔离和共享的？GDT（全局描述表）尚在，可分段机制去了那里？既然我们有虚拟的4G空间和结构化异常为何分配内存仍可能失败？在什么时候stack会溢出？?D?D?D
当我把这些问题都弄清楚后，我写了这篇文章为自己做了个总结，希望对大家也有帮助。同时由于写Windows内存这块的文章比较多，我将尽力做到与别人的内容不重合。
动笔后不久，我发现imquestion对于Windows内存写了几篇非常不错的文章，总题目叫《JIURL玩玩Win2k内存篇》，推荐阅读。
一、总论
Windows内存管理机制，底层最核心的东西是分页机制。分页机制使每个进程有自己的4G虚拟空间，使我们可以用虚拟线性地址来跑程序。每个进程有自己的工作集，工作集中的数据可以指明虚拟线性地址对应到怎样的物理地址。进程切换的过程也就是工作集切换的过程，如Matt Pietrek所说如果只给出虚拟地址而不给出工作集，那这个地址是无意义的。（见图一）
在分页机制所形成的线性地址空间里，我们对内存进行进一步划分涉及的概念有堆、栈、自由存储等。对堆进行操作的API有HeapCreate、HeapAlloc等。操纵自由存储的API有VirtualAlloc等。此外内存映射文件使用的也应该算是自由存储的空间。栈则用来存放函数参数和局部变量，随着stack frame的建立和销毁其自动进行增长和缩减。
说到这里，也许有人会提出疑问：对x86 CPU分段机制是必须的，分页机制是可选的。为什么这里只提到了分页机制。那么我告诉你分段机制仍然存在，一是为了兼容以前的16位程序，二是Windows毕竟要区分ring 0和ring 3两个特权级。用SoftIce看一下GDT(全局描述表)你基本上会看到如下内容：
GDTbase=80036000 Limit=03FF
0008 Code32 Base=00000000 Lim=FFFFFFFF DPL=0 P RE
//内核态driver代码段
0010 Data32 Base=00000000 Lim=FFFFFFFF DPL=0 P RW
//内核态driver的数据段
001B Code32 Base=00000000 Lim=FFFFFFFF DPL=3 P RE
//应用程序的代码段
0023 Data32 Base=00000000 Lim=FFFFFFFF DPL=3 P RW
//应用程序的数据段
这意味着什么呢？
我们再看一下线性地址的生成过程（见图一）。从中我们应该可以得出结论，如果segmeng base address为0的话，那么这个段可以看作不存在，因为偏移地址就是最终的线性地址。
此外还有两个段存在用于Kernel Processor Control Region和user thread environment block。所以如果你在反汇编时看到MOV ECX,FS:[2C]就不必惊讶，怎么这里使用逻辑地址而不是线性地址。在以后涉及异常处理的地方会对此再做说明。
二、从Stack说开去
从我个人的经验看，谈到内存时说堆的文章最多，说stack的最少。我这里反其道而行的原因是stack其实要比堆更重要，可以有不使用堆的程序，但你不可能不使用stack，虽然由于对stack的管理是由编译器确定了的，进而他较少出错。
通过链接开关/STACK:reserve[,commit]可以指定进程主线程的stack大小，当你建立其他线程时如果不指定dwStackSize参数，则也将使用/STACK所指定的值。微软说，如果指定较大的commit值将有利于提升程序的速度，我没验证过，但理应如此。通常并不需要对STACK进行什么设定，缺省的情况下将保留1M空间，并提交两个页（8K for x86）。而1M空间对于大多数程序而言是足够的，但为防止stack overflow有三点需要指出一是当需要非常大的空间时最好用全局数组或用VirtualAlloc进行分配，二是引用传递或用指针传递尺寸较大的函数参数（这点恐怕地球人都知道），三是进行深度递归时一定要考虑会不会产生stack溢出，如果有可能，可以采用我在《递归与goto》一文中提到的办法来仿真递归，这时候可以使用堆或自由存储来代替stack。同时结构化异常被用来控制是否为stack提交新的页面。（这部分写的比较简略因为很多人都写过，推荐阅读Jeffery Ritcher《Windows核心编程》第16章）
下面我们来看一下stack的使用。
假设我们有这样一个简单之极的函数：
int __stdcall add_s(int x,int y)
{
int sum;
sum=x+y;
return sum;
}
这样在调用函数前，通常我们会看到这样的指令。
mov eax,dword ptr [ebp-8]
push eax
mov ecx,dword ptr [ebp-4]
push ecx
此时把函数参数压入堆栈，而stack指针ESP递减，stack空间减小。
在进入函数后，你将会看到如下指令：
push ebp
mov ebp,esp
sub esp,44h
这三句建立stack框架，并减小esp为局部变量预留空间。建立stack框架后，[ebp+*]指向函数参数，[ebp-*]指向局部变量。
另外在很多情况下你会看到如下三条指令
push ebx
push esi
push edi
这三句把三个通用寄存器压入堆栈，这样这三个寄存器就可以用来存放一些变量，进而提升运行速度。
很奇怪，我这个函数根本用不到这三个寄存器，可编译器也生成了上述三条指令。
对stack中内容的读取，是靠基址指针ebp进行的。所以对应于sum=x+y;一句你会看到
mov eax,dword ptr [ebp+8]
add eax,dword ptr [ebp+0Ch]
mov dword ptr [ebp-4],eax
其中[ebp+8]是x，[ebp+0Ch]是y，记住压栈方向为从右向左，所以y要在x上边。
我们再看一下函数退出时的情况：
pop edi
pop esi
pop ebx
mov esp,ebp
pop ebp
ret 8
此时恢复stack框架，使esp与刚进入这个函数时相同，ret 8使esp再加8，使esp与没调用这个函数的时候一致。如果使用__cdecl调用规则，则由调用方以类似add esp,8进行清场工作，使stack的大小与未进行函数调用时一致。Stack的使用就这样完全被编译器实现了，只要不溢出就和我们无关，也许也算一种内存的智能管理。最后要补充的两点是：首先stack不像heap会自动扩充，如果你用光了储备，他会准时溢出。其次是不要以为你使用了缺省参数进行链接，你就有1M的stack，看看启动代码你就知道在你拥有stack之前，C Run ?CTime
Library以用去了一小部分stack的空间。
>> 本文固定链接: http://www.vcgood.com/archives/948
