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Windows記憶體分頁機制

阿新 • • 發佈：2019-01-16
大多數現代的作業系統都支援虛存, 這使得系統上的每個程式都擁有自己的地址空間. 每當程式讀取記憶體時, 都必須指定一個地址. 對於每個程序, 該地址必須轉換為實際的實體記憶體地址. 
例如, 若我們的MzfHips.exe 程式需要的資料在虛擬記憶體地址的0x0041FF10處, 則實際的實體地址可能被對映為0x01EE2F10. 
如下圖:
名稱: 2011-06-11_143032.png檢視次數: 896檔案大小: 4.9 KB
圖1: 虛擬地址轉實體地址示意圖 (圖中的資料僅僅是為了演示)

記憶體地址的轉換主要通過一個稱為頁表目錄的特殊表來完成. Intel x86 CPU將頁表目錄的指標儲存在特殊暫存器CR3中. 該暫存器指向一個包含1024個32位值的陣列, 稱為頁目錄. 每個陣列元素稱為頁目錄項, 它指定了頁表在實體記憶體中的基地址, 還通過狀態位指示該頁表當前是否存在於記憶體中. 從頁表中可以獲得實際的實體地址.

點選圖片以檢視大圖圖片名稱: 2011-06-11_144949.png檢視次數: 938檔案大小: 19.0 KB檔案 ID : 57914
圖2: 在記憶體中尋找頁面

下面我們來看下虛擬地址的組成:
名稱: 2011-06-11_145749.png檢視次數: 895檔案大小: 1.6 KB
由圖可知, 虛擬地址的前10位用來定位頁目錄項, 中間10位用來定位頁表項, 最後12位得到具體實體地址的偏移.

到了這裡, 我們來總結下具體的步驟:
1.  CPU查詢CR3暫存器以找到頁表目錄的基地址
2.  作業系統根據所請求的虛擬地址的前10位(如圖3), 來定位頁目錄項, 從而在記憶體中找到相應的頁表.
3.  頁表根據中間的10位定位該頁相應的實體記憶體首地址
4.  根據虛擬地址的後12位得到具體的實體地址相對於首地址的偏移量.
5.  最後得到的實體地址即包含我們要請求的資料

知道了前面的知識, 下面我們來看下具體的頁目錄項和頁表項中的內容.
由前面我們知道, CR3暫存器指向頁目錄的首地址, 而頁目錄是由最多1024個可能的頁目錄項組成.

下面我們看下頁目錄項的地址組成:
名稱: 2011-06-11_152042.png檢視次數: 892檔案大小: 4.0 KB
當訪問頁目錄項時, 要檢查U位(第2位), 若U位為0, 則意味著正在處理的頁表只能用於核心.
還要檢查W位(第1位), 若W位為0, 則記憶體是隻讀的.
頁目錄項指向整個頁表, 即整個頁面集合, 因此, 頁目錄項中的設定應用於整個記憶體頁範圍.

下面來看下頁表項：
名稱: 2011-06-11_152954.png檢視次數: 896檔案大小: 3.9 KB
當訪問頁表項時, 仍然首先要檢查U位(第2位), 若U位為0, 則只有核心模式的程式才能夠訪問該記憶體頁.
還要檢查W位(第1位), 以判斷讀寫訪問許可權.
最後還要判斷P位(第0位), 若它設定為0, 則當前記憶體頁被換出在磁碟上. 若它設定為1, 則記憶體是常駐, 並且當前是可用的.
在將記憶體頁換出後, 記憶體管理器在成功訪問它之前必須將該頁換入記憶體.


還有最後一個問題就是, 系統上的大多數可執行程式的其實地址都是0x00400000. 多個程序如何能使用同一個虛擬地址, 而不會在實體記憶體中發生衝突?那是因為系統上的每個程序都維護一個獨立的頁目錄, 都擁有自己私有的CR3暫存器的值.
當執行緒發生切換時, 舊執行緒的狀態會被儲存起來. 若當前排程執行的執行緒不屬於剛才的程序, 則當前程序的頁目錄地址會被載入到CR3暫存器中. 頁目錄地址可以在程序的KPROCESS結構中找到.

分析下MmIsAddressValid函式, 加深下對分頁機制的瞭解.(參考combojiang大叔)
下面是ida 看到的ntoskrnl.exe中匯出的MmIsAddressValid。
.text:0040C661 ; BOOLEAN __stdcall MmIsAddressValid(PVOID VirtualAddress)
.text:0040C661                 public MmIsAddressValid
.text:0040C661 MmIsAddressValid proc near              ; CODE XREF: sub_40D65E+Cp
.text:0040C661                                         ; sub_415459:loc_415470p ...
.text:0040C661
.text:0040C661 VirtualAddress  = dword ptr  8
.text:0040C661
.text:0040C661 ; FUNCTION CHUNK AT .text:0041B84E SIZE 00000007 BYTES
.text:0040C661 ; FUNCTION CHUNK AT .text:0044A4F2 SIZE 00000019 BYTES
.text:0040C661
.text:0040C661                 mov     edi, edi
.text:0040C663                 push    ebp
.text:0040C664                 mov     ebp, esp
.text:0040C666                 mov     ecx, [ebp+VirtualAddress] ;取出虛擬地址
.text:0040C669                 mov     eax, ecx
.text:0040C66B                 shr     eax, 14h        ; 右移20位
.text:0040C66E                 mov     edx, 0FFCh      ; 取高10位
.text:0040C673                 and     eax, edx
.text:0040C675                 sub     eax, 3FD00000h  ; 加上0xc0300000
.text:0040C675                                         ; PDE = ((VA >> 22) << 2 )& 0xffc + 0xc0300000
.text:0040C67A                 mov     eax, [eax]
.text:0040C67C                 test    al, 1           ; 頁目錄項的第0位, 即P位
.text:0040C67E                 jz      loc_41B84E
.text:0040C684                 test    al, al
.text:0040C686                 js      short loc_40C6AC ; 判斷page size位
.text:0040C688                 shr     ecx, 0Ah        ; 右移10位
.text:0040C68B                 and     ecx, 3FFFFCh
.text:0040C691                 sub     ecx, 40000000h
.text:0040C697                 mov     eax, ecx        ; PTE = ((VA >> 12) << 2 ) & 0x3FFFC + 0xc0000000
.text:0040C699                 mov     ecx, [eax]      ; ecx = PTE Context
.text:0040C69B                 test    cl, 1           ; 判斷present位
.text:0040C69E                 jz      loc_41B84E
.text:0040C6A4                 test    cl, cl
.text:0040C6A6                 js      loc_44A4F2      ; 判斷page size位
.text:0040C6AC
.text:0040C6AC loc_40C6AC:                             ; CODE XREF: MmIsAddressValid+25j
.text:0040C6AC                                         ; MmIsAddressValid+3DE9Fj
.text:0040C6AC                 mov     al, 1
.text:0040C6AE
.text:0040C6AE loc_40C6AE:                             ; CODE XREF: MmIsAddressValid+F1EFj
.text:0040C6AE                 pop     ebp
.text:0040C6AF                 retn    4
.text:0040C6AF MmIsAddressValid endp
.text:0040C6AF

Ps：上面說的理論是在未開啟PAE模式下的一般情況， 在開啟了PAE的情況下， 可能會有所不同。
*轉載請註明來自看雪論壇@PEdiy.com 

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