让32位应用程序不再为2G内存限制苦恼

让32位应用程序不再为2G内存限制苦恼

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VC++ 2009-09-21 17:57 8303人阅读
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windowswinapitokenservernullattributes

    最近在做个程序，虽然是小型程序,但是使用的内存量却很大，动辄达到10G。在64位系统上可以轻松实现，无奈我是基于32位的系统进行开发，程序还没跑起来就已经被终止了。 

    试过很多办法，包括文件内存映射等，效率不高，而且由于32位应用程序的限制，可用的内存地址最高只能到0x7FFFFFFF，能调用的内存到2G就是极限了。最后好不容易找到了AWE（Address Windowing Extensions）。

    AWE是Windows的内存管理功能的一组扩展，它允许应用程序获取物理内存，然后将非分页内存的视图动态映射到32位地址空间。虽然32位地址空间限制为4GB，但是非分页内存却可以远远大于4GB。这使需要大量内存的应用程序（如大型数据库系统）能使用的内存量远远大于32位地址空间所支持的内存量。

    与AWE有关的函数在后面介绍。

    为了使用大容量内存，除了要用到AWE外，还有一样东西不能少，那就是PAE（Physical Address Extension）。PAE是基于x86的服务器的一种功能，它使运行Windows Server 2003，Enterprise Edition 和Windows Server 2003，Datacenter Edition 的计算机可以支持 4 GB 以上物理内存。物理地址扩展(PAE)允许将最多64 GB的物理内存用作常规的4 KB页面，并扩展内核能使用的位数以将物理内存地址从 32扩展到36。

    一般情况下，windows系统的PAE没有生效，只有开启了PAE后windows系统才可以识别出4G以上的内存。在使用boot.int的系统中，要启动PAE必须在boot.ini中加入/PAE选项。在Windows Vista和Windows7中则必须修改内核文件，同时设置BCD启动项。针对Vista系统和Win7系统可以使用Ready For 4GB这个软件直接完成这一操作，具体方法见Ready For 4GB的软件说明。以下就是一个开启了/PAE选项的boot.ini文件示例：

[xhtml]
view plaincopyprint?

[boot loader]  
timeout=30  
default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS  
[operating systems]  
multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS="Windows Server 2003, Enterprise" /fastdetect /PAE  

[boot loader]timeout=30default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS[operating systems]multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS="Windows Server 2003, Enterprise" /fastdetect /PAE

    本文将以Windows 7旗舰版为例介绍如何在打开PAE的情况下使用AWE在程序中达到使用2G以上内存的目的。下图分别为开启PAE和未开启PAE时系统识别出的内存容量区别。 

 

图一.开启PAE

 


 

 

图二.关闭PAE



    如果没有打开PAE，系统只能认出3G的内存，最多可以再多0.5G不到，这样即使使用AWE，由于系统和其他应用程序已经占去了一部分内存，剩下的内存或许也只有2G多一点了，没什么太大提高。只有当系统认出了4G以上的内存，AWE才能发挥它真正的作用。

    下面我们看看windows中给出的有关AWE的API函数，它们都定义在winbase.h中。

 

[cpp]
view plaincopyprint?

#if (_WIN32_WINNT >= 0x0500)   
//   
// Very Large Memory API Subset   
//   
  
WINBASEAPI  
BOOL  
WINAPI  
AllocateUserPhysicalPages(  
    __in    HANDLE hProcess,  
    __inout PULONG_PTR NumberOfPages,  
    __out_ecount_part(*NumberOfPages, *NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray  
    );  
  
WINBASEAPI  
BOOL  
WINAPI  
FreeUserPhysicalPages(  
    __in    HANDLE hProcess,  
    __inout PULONG_PTR NumberOfPages,  
    __in_ecount(*NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray  
    );  
  
WINBASEAPI  
BOOL  
WINAPI  
MapUserPhysicalPages(  
    __in PVOID VirtualAddress,  
    __in ULONG_PTR NumberOfPages,  
    __in_ecount_opt(NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray  
    );  
//...   
#endif  

#if (_WIN32_WINNT >= 0x0500)//// Very Large Memory API Subset//WINBASEAPIBOOLWINAPIAllocateUserPhysicalPages( __in HANDLE hProcess, __inout PULONG_PTR NumberOfPages, __out_ecount_part(*NumberOfPages, *NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray );WINBASEAPIBOOLWINAPIFreeUserPhysicalPages( __in HANDLE hProcess, __inout PULONG_PTR NumberOfPages, __in_ecount(*NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray );WINBASEAPIBOOLWINAPIMapUserPhysicalPages( __in PVOID VirtualAddress, __in ULONG_PTR NumberOfPages, __in_ecount_opt(NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray );//...#endif 

    从winbase.h中的定义可以看出，只有当你的系统版本大于或等于0x0500时，才能够使用AWE。各个版本的_WIN32_WINNT值见下表，Windows 2000以下的版本不能使用AWE。

Minimum system required	Minimum value for _WIN32_WINNT and WINVER
Windows 7	0x0601
Windows Server 2008	0x0600
Windows Vista	0x0600
Windows Server 2003 with SP1, Windows XP with SP2	0x0502
Windows Server 2003, Windows XP	0x0501
Windows 2000	0x0500

    如果你的系统版本符合要求，但是编译器在编译加入了AWE API的代码出错，可以在程序头文件中加入下面的代码。

[cpp]
view plaincopyprint?

#ifndef _WIN32_WINNT   
#define _WIN32_WINNT 0x0501   
#endif    

#ifndef _WIN32_WINNT#define _WIN32_WINNT 0x0501#endif  

    下面简要介绍一下每个API的功能。

 

[cpp]
view plaincopyprint?

BOOL WINAPI AllocateUserPhysicalPages(  //分配物理内存页,用于后面AWE的内存映射   
  __in     HANDLE hProcess,     //指定可以使用此函数分配的内存页的进程   
  __inout  PULONG_PTR NumberOfPages,    //分配的内存页数,页的大小由系统决定   
  __out    PULONG_PTR UserPfnArray  //指向存储分配内存页帧成员的数组的指针   
);  
  
BOOL WINAPI FreeUserPhysicalPages(  //释放AllocateUserPhysicalPages函数分配的内存   
  __in     HANDLE hProcess,     //释放此进程虚拟地址空间中的分配的内存页   
  __inout  PULONG_PTR NumberOfPages,    //要释放的内存页数   
  __in     PULONG_PTR UserPfnArray  //指向存储内存页帧成员的数组的指针   
);  
  
BOOL WINAPI MapUserPhysicalPages(   //将分配好的内存页映射到指定的地址   
  __in  PVOID lpAddress,        //指向要重映射的内存区域的指针   
  __in  ULONG_PTR NumberOfPages,    //要映射的内存页数   
  __in  PULONG_PTR UserPfnArray     //指向要映射的内存页的指针   
);  

BOOL WINAPI AllocateUserPhysicalPages( //分配物理内存页,用于后面AWE的内存映射 __in HANDLE hProcess, //指定可以使用此函数分配的内存页的进程 __inout PULONG_PTR NumberOfPages, //分配的内存页数,页的大小由系统决定 __out PULONG_PTR UserPfnArray //指向存储分配内存页帧成员的数组的指针);BOOL WINAPI FreeUserPhysicalPages( //释放AllocateUserPhysicalPages函数分配的内存 __in HANDLE hProcess, //释放此进程虚拟地址空间中的分配的内存页 __inout PULONG_PTR NumberOfPages, //要释放的内存页数 __in PULONG_PTR UserPfnArray //指向存储内存页帧成员的数组的指针);BOOL WINAPI MapUserPhysicalPages( //将分配好的内存页映射到指定的地址 __in PVOID lpAddress, //指向要重映射的内存区域的指针 __in ULONG_PTR NumberOfPages, //要映射的内存页数 __in PULONG_PTR UserPfnArray //指向要映射的内存页的指针); 

    在看实例程序前还有一些设置需要做，需要对系统的本地安全策略进行设置。在win7中，打开“控制面板->系统和安全->管理工具->本地安全策略”，给“锁定内存页”添加当前用户，然后退出，重启（不重启一般无法生效！）。

 



 

    经过前面的准备（再啰嗦一次：确认自己的电脑装有4G或4G以上的内存；开启PAE，使系统认出4G或以上的内存；设置好本地安全策略），我们就可以通过下面的代码来做个实验了。

 

    代码是从MSDN中AWE的一个Example修改而来的，具体流程见代码中的注释，如果对该Example的源代码有兴趣可以参考MSDN。

 

[cpp]
view plaincopyprint?

#include "AWE_TEST.h"   
#include <windows.h>   
#include <stdio.h>   
  
#define MEMORY_REQUESTED ((2*1024+512)*1024*1024) //申请2.5G内存,测试机上只有4G内存,而且系统是window7,比较占内存.申请3G容易失败.   
#define MEMORY_VIRTUAL 1024*1024*512        //申请长度0.5G的虚拟内存,即AWE窗口.   
  
//检测"锁定内存页"权限的函数   
BOOL LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess, BOOL bEnable);  
  
void _cdecl main()  
{  
    BOOL bResult;                   // 通用bool变量   
    ULONG_PTR NumberOfPages;        // 申请的内存页数   
    ULONG_PTR NumberOfPagesInitial; // 初始的要申请的内存页数   
    ULONG_PTR *aPFNs;               // 页信息,存储获取的内存页成员   
    PVOID lpMemReserved;            // AWE窗口   
    SYSTEM_INFO sSysInfo;           // 系统信息   
    INT PFNArraySize;               // PFN队列所占的内存长度   
  
    GetSystemInfo(&sSysInfo);  // 获取系统信息   
  
    printf("This computer has page size %d./n", sSysInfo.dwPageSize);  
  
    //计算要申请的内存页数.   
  
    NumberOfPages = MEMORY_REQUESTED/sSysInfo.dwPageSize;  
    printf ("Requesting %d pages of memory./n", NumberOfPages);  
  
    // 计算PFN队列所占的内存长度   
  
    PFNArraySize = NumberOfPages * sizeof (ULONG_PTR);  
  
    printf ("Requesting a PFN array of %d bytes./n", PFNArraySize);  
  
    aPFNs = (ULONG_PTR *) HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, PFNArraySize);  
  
    if (aPFNs == NULL)   
    {  
        printf ("Failed to allocate on heap./n");  
        return;  
    }  
  
    // 开启"锁定内存页"权限   
  
    if( ! LoggedSetLockPagesPrivilege( GetCurrentProcess(), TRUE ) )   
    {  
        return;  
    }  
  
    // 分配物理内存,长度2.5GB   
  
    NumberOfPagesInitial = NumberOfPages;  
    bResult = AllocateUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),  
        &NumberOfPages,  
        aPFNs );  
  
    if( bResult != TRUE )   
    {  
        printf("Cannot allocate physical pages (%u)/n", GetLastError() );  
        return;  
    }  
  
    if( NumberOfPagesInitial != NumberOfPages )   
    {  
        printf("Allocated only %p pages./n", NumberOfPages );  
        return;  
    }  
  
    // 保留长度0.5GB的虚拟内存块(这个内存块即AWE窗口)的地址   
  
    lpMemReserved = VirtualAlloc( NULL,  
        MEMORY_VIRTUAL,  
        MEM_RESERVE | MEM_PHYSICAL,  
        PAGE_READWRITE );  
  
    if( lpMemReserved == NULL )   
    {  
        printf("Cannot reserve memory./n");  
        return;  
    }  
  
    char *strTemp;  
    for (int i=0;i<5;i++)  
    {  
        // 把物理内存映射到窗口中来   
        // 分5次映射,每次映射0.5G物理内存到窗口中来.   
        // 注意,在整个过程中,lpMenReserved的值都是不变的   
        // 但是映射的实际物理内存却是不同的   
        // 这段代码将申请的2.5G物理内存分5段依次映射到窗口中来   
        // 并在每段的开头写入一串字符串.   
  
        bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,  
            NumberOfPages/5,  
            aPFNs+NumberOfPages/5*i);  
  
        if( bResult != TRUE )   
        {  
            printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );  
            return;  
        }  
  
        // 写入字符串,虽然是写入同一个虚存地址,   
        // 但是窗口映射的实际内存不同,所以是写入了不同的内存块中   
        strTemp=(char*)lpMemReserved;  
        sprintf(strTemp,"This is the %dth section!",i+1);  
  
        // 解除映射   
  
        bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,  
            NumberOfPages/5,  
            NULL );  
  
        if( bResult != TRUE )   
        {  
            printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );  
            return;  
        }  
    }  
  
    // 现在再从5段内存中读出刚才写入的字符串   
    for (int i=0;i<5;i++)  
    {  
        // 把物理内存映射到窗口中来   
  
        bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,  
            NumberOfPages/5,  
            aPFNs+NumberOfPages/5*i);  
  
        if( bResult != TRUE )   
        {  
            printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );  
            return;  
        }  
  
        // 将映射到窗口中的不同内存块的字符串在屏幕中打印出来   
        strTemp=(char*)lpMemReserved;  
        printf("%s/n",strTemp);  
  
        // 解除映射   
  
        bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,  
            NumberOfPages/5,  
            NULL );  
  
        if( bResult != TRUE )   
        {  
            printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );  
            return;  
        }  
    }  
      
  
    // 释放物理内存空间   
  
    bResult = FreeUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),  
        &NumberOfPages,  
        aPFNs );  
  
    if( bResult != TRUE )   
    {  
        printf("Cannot free physical pages, error %u./n", GetLastError());  
        return;  
    }  
  
    // 释放虚拟内存地址   
  
    bResult = VirtualFree( lpMemReserved,  
        0,  
        MEM_RELEASE );  
  
    // 释放PFN队列空间   
  
    bResult = HeapFree(GetProcessHeap(), 0, aPFNs);  
  
    if( bResult != TRUE )  
    {  
        printf("Call to HeapFree has failed (%u)/n", GetLastError() );  
    }  
  
}  
  
/***************************************************************** 
 
输入: 
 
HANDLE hProcess: 需要获得权限的进程的句柄 
 
BOOL bEnable: 启用权限 (TRUE) 或 取消权限 (FALSE)? 
 
返回值: TRUE 表示权限操作成功, FALSE 失败. 
 
*****************************************************************/  
BOOL  
LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess,  
                             BOOL bEnable)  
{  
    struct {  
        DWORD Count;  
        LUID_AND_ATTRIBUTES Privilege [1];  
    } Info;  
  
    HANDLE Token;  
    BOOL Result;  
  
    // 打开进程的安全信息   
  
    Result = OpenProcessToken ( hProcess,  
        TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES,  
        & Token);  
  
    if( Result != TRUE )   
    {  
        printf( "Cannot open process token./n" );  
        return FALSE;  
    }  
  
    // 开启 或 取消?   
  
    Info.Count = 1;  
    if( bEnable )   
    {  
        Info.Privilege[0].Attributes = SE_PRIVILEGE_ENABLED;  
    }   
    else   
    {  
        Info.Privilege[0].Attributes = 0;  
    }  
  
    // 获得LUID   
  
    Result = LookupPrivilegeValue ( NULL,  
        SE_LOCK_MEMORY_NAME,  
        &(Info.Privilege[0].Luid));  
  
    if( Result != TRUE )   
    {  
        printf( "Cannot get privilege for %s./n", SE_LOCK_MEMORY_NAME );  
        return FALSE;  
    }  
  
    // 修改权限   
  
    Result = AdjustTokenPrivileges ( Token, FALSE,  
        (PTOKEN_PRIVILEGES) &Info,  
        0, NULL, NULL);  
  
    // 检查修改结果   
  
    if( Result != TRUE )   
    {  
        printf ("Cannot adjust token privileges (%u)/n", GetLastError() );  
        return FALSE;  
    }   
    else   
    {  
        if( GetLastError() != ERROR_SUCCESS )   
        {  
            printf ("Cannot enable the SE_LOCK_MEMORY_NAME privilege; ");  
            printf ("please check the local policy./n");  
            return FALSE;  
        }  
    }  
  
    CloseHandle( Token );  
  
    return TRUE;  
}  

#include "AWE_TEST.h"#include <windows.h>#include <stdio.h>#define MEMORY_REQUESTED ((2*1024+512)*1024*1024) //申请2.5G内存,测试机上只有4G内存,而且系统是window7,比较占内存.申请3G容易失败.#define MEMORY_VIRTUAL 1024*1024*512 //申请长度0.5G的虚拟内存,即AWE窗口.//检测"锁定内存页"权限的函数BOOL LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess, BOOL bEnable);void _cdecl main(){ BOOL bResult; // 通用bool变量 ULONG_PTR NumberOfPages; // 申请的内存页数 ULONG_PTR NumberOfPagesInitial; // 初始的要申请的内存页数 ULONG_PTR *aPFNs; // 页信息,存储获取的内存页成员 PVOID lpMemReserved; // AWE窗口 SYSTEM_INFO sSysInfo; // 系统信息 INT PFNArraySize; // PFN队列所占的内存长度 GetSystemInfo(&sSysInfo); // 获取系统信息 printf("This computer has page size %d./n", sSysInfo.dwPageSize); //计算要申请的内存页数. NumberOfPages = MEMORY_REQUESTED/sSysInfo.dwPageSize; printf ("Requesting %d pages of memory./n", NumberOfPages); // 计算PFN队列所占的内存长度 PFNArraySize = NumberOfPages * sizeof (ULONG_PTR); printf ("Requesting a PFN array of %d bytes./n", PFNArraySize); aPFNs = (ULONG_PTR *) HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, PFNArraySize); if (aPFNs == NULL) { printf ("Failed to allocate on heap./n"); return; } // 开启"锁定内存页"权限 if( ! LoggedSetLockPagesPrivilege( GetCurrentProcess(), TRUE ) ) { return; } // 分配物理内存,长度2.5GB NumberOfPagesInitial = NumberOfPages; bResult = AllocateUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(), &NumberOfPages, aPFNs ); if( bResult != TRUE ) { printf("Cannot allocate physical pages (%u)/n", GetLastError() ); return; } if( NumberOfPagesInitial != NumberOfPages ) { printf("Allocated only %p pages./n", NumberOfPages ); return; } // 保留长度0.5GB的虚拟内存块(这个内存块即AWE窗口)的地址 lpMemReserved = VirtualAlloc( NULL, MEMORY_VIRTUAL, MEM_RESERVE | MEM_PHYSICAL, PAGE_READWRITE ); if( lpMemReserved == NULL ) { printf("Cannot reserve memory./n"); return; } char *strTemp; for (int i=0;i<5;i++) { // 把物理内存映射到窗口中来 // 分5次映射,每次映射0.5G物理内存到窗口中来. // 注意,在整个过程中,lpMenReserved的值都是不变的 // 但是映射的实际物理内存却是不同的 // 这段代码将申请的2.5G物理内存分5段依次映射到窗口中来 // 并在每段的开头写入一串字符串. bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved, NumberOfPages/5, aPFNs+NumberOfPages/5*i); if( bResult != TRUE ) { printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() ); return; } // 写入字符串,虽然是写入同一个虚存地址, // 但是窗口映射的实际内存不同,所以是写入了不同的内存块中 strTemp=(char*)lpMemReserved; sprintf(strTemp,"This is the %dth section!",i+1); // 解除映射 bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved, NumberOfPages/5, NULL ); if( bResult != TRUE ) { printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() ); return; } } // 现在再从5段内存中读出刚才写入的字符串 for (int i=0;i<5;i++) { // 把物理内存映射到窗口中来 bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved, NumberOfPages/5, aPFNs+NumberOfPages/5*i); if( bResult != TRUE ) { printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() ); return; } // 将映射到窗口中的不同内存块的字符串在屏幕中打印出来 strTemp=(char*)lpMemReserved; printf("%s/n",strTemp); // 解除映射 bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved, NumberOfPages/5, NULL ); if( bResult != TRUE ) { printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() ); return; } } // 释放物理内存空间 bResult = FreeUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(), &NumberOfPages, aPFNs ); if( bResult != TRUE ) { printf("Cannot free physical pages, error %u./n", GetLastError()); return; } // 释放虚拟内存地址 bResult = VirtualFree( lpMemReserved, 0, MEM_RELEASE ); // 释放PFN队列空间 bResult = HeapFree(GetProcessHeap(), 0, aPFNs); if( bResult != TRUE ) { printf("Call to HeapFree has failed (%u)/n", GetLastError() ); }}/*****************************************************************输入:HANDLE hProcess: 需要获得权限的进程的句柄BOOL bEnable: 启用权限 (TRUE) 或 取消权限 (FALSE)?返回值: TRUE 表示权限操作成功, FALSE 失败.*****************************************************************/BOOLLoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess, BOOL bEnable){ struct { DWORD Count; LUID_AND_ATTRIBUTES Privilege [1]; } Info; HANDLE Token; BOOL Result; // 打开进程的安全信息 Result = OpenProcessToken ( hProcess, TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES, & Token); if( Result != TRUE ) { printf( "Cannot open process token./n" ); return FALSE; } // 开启 或 取消? Info.Count = 1; if( bEnable ) { Info.Privilege[0].Attributes = SE_PRIVILEGE_ENABLED; } else { Info.Privilege[0].Attributes = 0; } // 获得LUID Result = LookupPrivilegeValue ( NULL, SE_LOCK_MEMORY_NAME, &(Info.Privilege[0].Luid)); if( Result != TRUE ) { printf( "Cannot get privilege for %s./n", SE_LOCK_MEMORY_NAME ); return FALSE; } // 修改权限 Result = AdjustTokenPrivileges ( Token, FALSE, (PTOKEN_PRIVILEGES) &Info, 0, NULL, NULL); // 检查修改结果 if( Result != TRUE ) { printf ("Cannot adjust token privileges (%u)/n", GetLastError() ); return FALSE; } else { if( GetLastError() != ERROR_SUCCESS ) { printf ("Cannot enable the SE_LOCK_MEMORY_NAME privilege; "); printf ("please check the local policy./n"); return FALSE; } } CloseHandle( Token ); return TRUE;} 

程序运行结果如下：



 

    可以看出系统分页的大小为4K，总共申请了655360个分页，也就是2.5G。每个分页成员占4字节，总共2621440字节。2.5G内存分成5段512M的块，成功写入了字符串并成功读取。

 

    在调试过程中，在执行了AllocateUserPhysicalPages函数后设置断点，查看任务管理器，可以看出成功分配了物理内存后，实际物理内存被占用了2.5G，从而验证了AWE的效果。

 



 

    通过上述示例，我们成功的在32位系统中识别出了4G的内存，并且在32位程序中成功使用了超过2G的内存。借助PAE和AWE，即使在32位系统上，我们也能够顺利开发对内存消耗较大的应用程序，而不需要依赖于64位平台。