Системное программирование в среде Windows

Управление динамической памятью в той или иной форме требуется в большинстве программ. Необходимость в этом возникает всякий раз, когда требуется создавать структуры данных, размер которых не может быть определен заранее на стадии создания программы. Типичными примерами динамических структур данных могут служить деревья поиска, таблицы имен и связанные списки.

В Windows предусмотрены гибкие механизмы управления динамической памятью программы. Кроме того, Windows предоставляет средства отображения файлов, которые позволяют ассоциировать файл непосредственно с виртуальным адресным пространством процесса, благодаря чему ОС может управлять любыми перемещениями данных между файлом и памятью, так что программисту вообще не приходится иметь дело с функциями ReadFile, WriteFile, SetFilePointer и другими функциями ввода/вывода.

В случае использования отображения файлов программе удобно сохранять внутренние динамические структуры данных в виде постоянно существующих файлов, а все алгоритмы обработки применять к создаваемой в памяти копии файла. Более того, отображение файлов может значительно ускорить последовательную обработку файлов и предоставляет механизм, обеспечивающий совместное использование областей памяти одновременно несколькими процессами.

Важным специальным случаем отображения файлов и разделения памяти являются динамически компонуемые библиотеки (dynamic linked libraries, DLL), обеспечивающие возможность отображения файлов (обычно, когда они используются только для чтения) на адресное пространство процесса для их выполнения.

В этой главе описывается система управления памятью и функции отображения файлов Windows, что иллюстрируется целым рядом примеров их использования, а также обсуждаются явно и неявно связанные библиотеки DLL.

Архитектура системы управления памятью в Win32 и Win64

Win32 (в данном случае различия между Win32 и Win64 становятся существенными) — это API 32-разрядных ОС семейства Windows. "32-разрядность" проявляет себя при адресации памяти тем, что указатели (LPSTR, LPDWORD и так далее) являются 4-байтовыми (32-битовыми) объектами. Win64 API предоставляет виртуальное адресное пространство гораздо большего объема, и 64-битовые указатели являются естественным результатом эволюции Win32. Тем не менее, о переносимости приложений на платформу Win64 необходимо заботиться отдельно. Настоящее обсуждение будет относиться только к Win32; вопросы миграции приложений на платформу Win64 обсуждаются в главе 16, где также приводятся ссылки на соответствующие источники информации.

Далее, в рамках Win32 у каждого процесса имеется собственное виртуальное адресное пространство объемом 4 Гбайт (232 байт). Разумеется, объем виртуального адресного пространства в Win64 гораздо больше. По крайней мере, половину указанного пространства (2-3 Гбайт; расширение до 3 Гбайт должно производиться во время загрузки) Win32 делает доступной для процесса. Оставшаяся часть виртуального адресного пространства выделяется для совместно используемых данных и кода, системного кода, драйверов и так далее.

Хотя детали описанного распределения памяти и заслуживают интереса, здесь они обсуждаться не будут; прикладные программы используют абстрактные модели памяти, предоставляемые API. С точки зрения программиста ОС просто предоставляет адресное пространство большого объема для размещения кода, данных и других ресурсов. В этой главе мы сосредоточим свое внимание на использовании средств управления памятью в Windows, не заботясь о том, как все это реализуется в ОС. Тем не менее, ниже приводится соответствующий краткий обзор.

Обзор методов управления памятью

Обо всех деталях отображения виртуальных адресов на физические адреса (virtual to physical memory mapping), механизмах страничной подкачки (page swapping) и замещения страниц по запросу (demand paging) и прочих моментах заботится ОС. Эти вопросы подробно обсуждаются в документации по ОС, а также в книге Соломона (Solomon) и Руссиновича (Russinovich) Inside Windows2000. Краткое изложение наиболее существенных сведений приводится ниже:

• Система может располагать сравнительно небольшим объемом физической памяти; на практике для всех систем, кроме Windows XP, необходимый минимум составляет 128 Мбайт, однако в типичных случаях доступные объемы физической памяти оказываются намного большими.[21]

• Каждый отдельный процесс — а таких процессов, как пользовательских, так и системных, может выполняться одновременно несколько — имеет собственное виртуальное адресное пространство, объем которого может значительно превосходить объем доступного физического адресного пространства. Например, емкость виртуального адресного пространства объемом 1 Гбайт, относящегося к одному процессу, в восемь раз превышает емкость физической памяти объемом 128 Мбайт, и таких процессов может быть множество.

• ОС преобразует виртуальные адреса в физические адреса.