第八讲 内存管理.ppt

1、2020/10/10,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,1,第二章 Windows CE体系结构与功能,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,2,2020/10/10,教学目的,熟悉内存管理与分配的基本方法，掌握物理内存与虚拟内存之间的映射关系；熟悉堆栈的基本概念，掌握各种内存分配方法的使用。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,3,2020/10/10,项目5：内存分配PDA的内存管理,本节课程主要知识点 Windows CE5.0的内存管理 Windows CE5.0的内存结构（重点、难点） 物理内存与虚拟内存的映射（难点） 堆（难点） 栈 各种内存分配方法的对比（重点）,北京理工大学珠海

2、学院 计算机教研室,4,2020/10/10,教学重点 Windows CE5.0的内存管理的基本概念 堆和栈的基本概念 教学难点 理解虚拟内存的结构 虚拟内存的使用 堆的使用,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,5,2020/10/10,内存管理,内存管理是操作系统中最重要的功能之一，尤其是在嵌入式系统中更为重要。 内存管理的目的是为了充分利用内存，尽可能方便用户使用内存。 解决程序空间比实际内存空间大的问题。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,6,2020/10/10,2.3 内存管理,2.3.1 内存管理概览 Windows CE采用层次化的机构进行内存管理,图2.11 Windows

3、 CE内存管理概览,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,7,2020/10/10,2.3.2 物理内存 Windows CE中，RAM、ROM和Flash Memory都被看成物理内存,图2.12 物理内存,为操作系统和应用程序提供运行缓冲空间,用来存储程序，包括操作系统映像本身和组成操作系统的一些其他文件,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,8,2020/10/10,2.3.3 虚拟内存 Windows CE是32位的操作系统，虚拟寻址能力为4GB Windows CE中所有进程共享一个4GB的虚拟地址空间 Windows CE的内存基于页式管理。其支持两种页大小：1KB和4KB 虚拟内存的

4、申请分为保留（reserve）和提交（commit）两个过程；虚拟地址空间以64KB为边界进行保留，任何一次虚拟内存申请都会返回一个64KB的整数倍的地址,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,9,2020/10/10,MMU-(Memory Management Unit)内存管理单元负责虚拟内存的管理，把虚拟地址映射到物理地址，并提供一定的内存保护 一个有效的虚拟地址必须被映射到一个物理地址 允许程序代码空间在需要的时候即时的申请,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,10,2020/10/10,4GB的虚拟地址空间分为两个2GB区域 用户空间：低地址2GB用户空间，供应用程序使用。即应用程序

5、申请的内存都会从此地址空间中返回 总共64个slot，每个slot为32MB 大多数是动态虚拟映射 内核空间：高地址2GB内核空间，供Windows CE操作系统本身使用 只被特权访问的内核模式代码使用(Kmode) 大多数是静态虚拟地址映射(不会有页内错误),北京理工大学珠海学院 计算机教研室,11,2020/10/10,图2.13 Windows CE的4GB地址空间,4GB分成若干个slot，每个slot占 32MB，编号从0开始,存放进程的虚拟地址空间，如slot2被Filesys.exe占用,映射当前在处理器上执行进程,由XIP的DLL代码使用,由所有进程共享。应用程序使用的虚拟内存

6、可在这个范围申请。包括对象存储和内存映射文件,用来静态映射所有的物理地址，即Windows CE会把所有的物理内存1：1的映射到此段虚拟地址上,此段空间会重复映射所有的物理内存。与0 x80000000一段最大的不同是此段内存是不带缓冲的。,Slot97，Windows CE的核心进程NK.exe,放置一些供虚拟内存用的页表和中断向量表等内核使用的数据结构,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,12,2020/10/10,内核与用户空间的地址分配,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,13,2020/10/10,Active Process,Active Process,Active Proces

7、s,Active Process,Active Process,Windows XP 内存结构,System Reserved (kernel mode space),0000 0000,8000 0000,FFFF FFFF,Application Space,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,14,2020/10/10,Windows CE 内存结构,System Reserved (kernel mode space),0000 0000,0400 0000,4200 0000,8000 0000,FFFF FFFF,Active Process,Active Process,Acti

8、ve Process,Active Process,Active Process,Active Process,Application Space,Reserved,Large Memory Area (memory mapped files),Application Space,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,15,2020/10/10,0000 0000,图2.14 内核映射的物理内存,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,16,2020/10/10,在X86和ARM处理器中，Windows CE的静态内存映射是由OAL层中的OEMAddressTable数组决定 物理内存映射到内核空间

9、之后，Windows CE内核中访问物理内存只需把该物理内存地址加上0 x80000000或者0 xA0000000即可 进程中虚拟地址空间的使用情况(以Slot0为例),北京理工大学珠海学院 计算机教研室,17,2020/10/10,为什么把Slot0映射为当前进程的地址空间 可避免重定位，让所有的EXE的虚拟地址都从0地址算起 保证对任何一个进程，共享的DLL代码都可以通过同样的偏移访问到位于不同进程中的不共享的DLL数据 一个进程的32MB虚拟地址空间中，最低的64KB地址用来捕获野指针(通常是空指针NULL的)即若某个指针访问了低于64KB的内存区域，则捕获这个错误 64KB之上是进程

10、的代码和数据以及一些堆和栈,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,18,2020/10/10,0000 0000,0400 0000,4200 0000,8000 0000,Large Memory Area (memory mapped files),虚拟内存中的Slots,Application Slots (Slots 2-32),Current Application (Slots 0-1),2 Gigabytes Divided into 64 32 MByte Slots 31 slots for LMA 31 slots for applications 2 slots for c

11、urrent application,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,19,2020/10/10,Slot,当一个应用程序启动时，内核为这个程序选择一个空闲的槽（Slot），并且加载所有的代码、资源，并分配堆栈，加载DLL等。 当这个进程得到CPU使用权时，它的整个地址空间被内核映射到Slot 0，也就是当前进程使用的地址空间，然后开始运行。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,20,2020/10/10,Slot 0,每个进程在执行前都要映射到Slot 0。 由于进程使用的所有DLL可能来自不同的Slot，为避免所使用的DLL在映射到Slot 0中出现地址空间冲突的现象，内核的加载器在加

12、载DLL时会查找所有槽中加载的DLL的地址，保证在映射到Slot 0时不会发生地址冲突现象。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,21,2020/10/10,Slot 2 Slot 8,Slot2：通常被Filesys.exe占用 Slot3：通常被shell.exe占用 Slot4：通常被device.exe占用 Slot5：通常被gwes.exe占用 Slot6：通常被ceemulsrv.exe占用 Slot7：通常被explorer.exe占用 Slot8：通常被services.exe占用,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,22,2020/10/10,Slot中的内存分配,进程最低部

13、的64KB作为保留区域。 代码段从0 x0001 0000开始加载，内核为代码段分配足够的虚拟地址空间。 为只读数据和可读/可写数据分配空间。 为资源数据分配空间。 为默认堆和栈分配空间。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,23,2020/10/10,Slot中的DLL加载,非XIP DLL从进程最高端地址向下开始加载。 非XIP DLL的加载按如下规则：内核先检查要加载的DLL是否已经被其它进程加载，如果加载过，就做一个地址的重定位。避免系统内多次加载相同DLL。如果没有加载过，就按照从槽的高地址到槽的低地址的顺序查找空闲的地址空间。然后分配足够的地址空间用于加载DLL。,北京理工大学珠海

14、学院 计算机教研室,24,2020/10/10,进程地址空间结构,Windows CE5.0同以前版本的Windows CE操作系统在进程地址空间上有所不同。 以前的Windows CE把XIP DLL也加载到进程的32MB地址空间中。 Windows CE5.0把XIP DLL单独加载到Slot 1中，这样对于每个进程来说，它总的地址空间就大了一倍，达到64MB。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,25,2020/10/10,图 2.15 单个进程的虚拟地址空间,捕获野指针,进程申请虚拟内存，从低向高增长,DLL代码和数据的增长是从高向低,若这两个高低增长相撞，表示进程已耗尽它的虚拟地址空

15、间,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,26,2020/10/10,不同CPU的内存结构,不同的CPU内存管理方法也不同。 对于MIPS和SHX系列CPU来说，物理地址映射是由CPU完成的，Windows CE内核可以直接访问512MB的物理内存。 对于x86系列和ARM系列的CPU来说，在内核启动过程中它会将现有物理内存地址全部映射到0 x8000 0000以上的虚拟地址空间中供内核以后使用。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,27,2020/10/10,2.3.4 逻辑内存-堆,堆是一段连续的虚拟地址空间。每一个进程都管理着一个堆。 应用程序在堆中可以动态地分配、释放所需大小的内存块。

16、在堆内分配内存块可以是任意大小的，而直接分配内存就必须以内存页为单位。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,28,2020/10/10,内存的页,内存是以页为单位分配的。 内存页的大小与具体的CPU有关。 页的大小一般是1KB，4KB，64KB等。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,29,2020/10/10,本地堆,默认情况下，Windows CE为本地堆保留192KB的虚拟内存空间，如果不够的话，可用函数VirtualAlloc()申请更多的内存。 192KB的虚拟内存并不立刻提交分配物理内存。 当堆中的块被释放时，系统将查看是否整个页都已经被释放，如果是那个页将被回收。,北京理工大学珠

17、海学院 计算机教研室,30,2020/10/10,在本地堆中分配内存,堆内分配内存可以任意大小，单位为字节，所分配的内存称为块。 使用完后注意要回收分配的内存。 在堆中申请内存可使用malloc/free、new/delete、LocalAlloc/LocallFree等函数。 Windows CE5.0只支持堆中固定块的分配，这样随着时间的推移，多次创建释放内存块，堆内就会产生大量内存的碎片。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,31,2020/10/10,堆的操作函数,LocalAlloc在堆中申请内存 LocalFree释放使用过的内存 HeapCreate创建堆 HeapFree释放堆

18、,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,32,2020/10/10,堆的碎片,在Windows CE5.0创建的堆中，所申请的内存块不能够移动，多次创建内存块、释放内存块会产生内存碎块。 当需要分配一个大一点的、连续的内存块时，本来空闲的内存块加起来足够大，但是这些内存块是分隔的，系统无法分配这些内存碎片。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,33,2020/10/10,碎片的解决,程序员如果要频繁的在堆中创建、释放内存块的话，最好自己创建一个单独的堆，而不用默认的堆。 在使用结束后要及时释放掉该内存堆。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,34,2020/10/10,2.3.4 逻辑内存-栈,

19、栈是进程中的一个重要的数据结构。函数使用栈传递参数，函数中的局部变量也存放在栈中。 每个线程都有一个栈，在线程创建时由系统为其分配。 线程栈的大小默认为64KB，可以通过使用编译器的/STACKSIZE参数，调整栈的大小。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,35,2020/10/10,栈的使用,栈不能由用户程序自己创建。 栈的溢出会导致应用程序的退出，程序设计时一定要注意。 不要在较低内存配置的情况下使用大量的栈。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,36,2020/10/10,静态数据,Windows CE为应用程序的静态数据分配了read/write和read only两个内存区域。 这两个内存区域以页面为单位来分配内存。 应用程序设计时要尽量保证静态数据区域没有空间的浪费。,北京理工大学珠海学院 计算机教研室,37,2020/10