Windows 95的“Copy on Write”（写入时才复制）
既然知道Windows 95尽其可能的共享程序代码，我们很自然就会关心：调试器（Debugger）对此如何应对。有什么问题吗？哦，调试器会在你的程序代码中写入中断点（break point）指令（INT 3，opcode 0xCC）。如果调试器写入中断点指令的那个code page是被两个进程共享的话，就会有潜在的问题。要知道，调试器只针对一个进程进行调试，另一个进程即使碰到了断点，也不应该受到影响。当操作系统看到INT 3并且得知该进程并非处于调试状态时，它就把该进程结束掉，因为这是一种无法处理的异常情况。好，如果Windows 95的内存管理系统真的如我所讲的话，你就没有办法对一个“同时被多个进程所使用的” DLL进行调试了---那样将无可避免地导致其他进程莫名其妙的被结束掉。更别说是对某个执行体（Instance）进程调试，而另一个执行体却还正常的运作了。
高级操作系统如UNIX，对付此问题的方法是所谓的“Copy con Write”机制。一个拥有copy on write机制的系统（如Windows NT），内存管理器会使用CPU的分页机制，尽可能的将内存共享出来，而在必要的时候又将某些RAM Page复制一份。
给个实际例子会比较清楚一些。假设某个程序的两个执行体（Instanced）都在执行，共享相同的code pages（都是只读性质）。其中之一处于调试状态，使用者告诉调试器在程序某处放上一个中断点（break point）。当调试器企图写入中断指令时，会触发一个page fault（因为code page拥有只读属性）。操作系统一看到这个page fault，首先断定是调试器企图读取内存中的数据，这是合法的。然后，随后“写入到共享的code page中”的动作就不应该被允许了。系统于是会先将受影响的各个页复制一份，并改变被调试者的page table，使映射关系转到新复制出来的页上。一旦内存被复制并被映射，系统就可以让写入动作通过了。写入（中断点）的动作只会影响被复制出来的页，不会影响原先的内容。
“Copy on Write”并不只在分享程序代码时才派上用场。在Windows NT中，可写入的data pages一开始也是只读属性，当应用程序对其中一个page写入数据时，CPU会产生page fault。操作系统于是把这个page修改为“可读可写”。为什么要这么麻烦呢？因为这样的话，内存管理器还可以把其他只读的data pages共享出来。如果稍后有人对这些data pages做写入动作，“Copy on Write”机制就会拒绝之，并另外提供RAM Pages给每个进程。
Copy on Write机制的最大好处就是尽可能让内存获得共享效益。只有在必要时刻，系统才会对共享内存做出新的拷贝。不幸的是，Copy on Write机制需要一个精巧的内存管理系统，和一个精巧的Page Table来管理系统，而Windows 95还够不上格，因为Windows 95并非直接在分页层面上支持Copy on Write。这对于Windows 95早期使用者而言是极大的痛苦，毕竟微软一直推销说所有Win32程序在Windows 95和NT上都执行的一样好。当主要特性（如“Copy on Write”机制）缺席，“执行的一样好”这句话可就有漏洞了。
Windows 95并不是盲目而愚蠢的就把数据写入共享内存中。由于必须有某些动作以使调试器能够工作，Windows 95支持一个所谓的“Copy on Write虚拟机制”。在这个虚拟机制中，当共享内存上出现page fault，WriteProcessMemory动作就会发生。操作系统首先确定你要写入的地址是否位于共享内存中，如果是，系统会将原来的pages复制一份，然后把新的pages映射到相同的线性地址，然后再开始写入动作。PHYS程序证明，Copy on Write虚拟机制的确有效的运作着。
虽然WriteProcessMemory足够让调试器得以对大部分的DLLs除错，它却不能够对2GB以上的区域进行调试。由于System DLLs如KERNEL32者位于2GB之上，所以一般的应用程序调试器没有办法想在Windows NT之中那样对它们进行调试。试看看，在Windows 95中启动你最熟悉的应用程序调试器，尝试进入（Step into）一个系统调用之中。不管是Visual C++调试器或Turbo Debugger都沉默的跳出（Step out）该系统调用—甚至即使你是在一个反编译窗口并要求进入调用之后。如果你希望进入Windows 95系统代码之中，你需要一个系统层面的调试器，像是SoftICE/W或Wdeb386之类。
译注：
step into和step out都是调试器上的命令，前者表示要进入一个函数之中，后者表示要跳离当前的函数。
PHYS程序
潜伏在PHYS表面下的，是一些底层的系统代码，微软可能不希望你知道那么多。在一个设计良好的操作系统中，应用程序不应该能够处理实际内存和线性地址之间的映射关系。一般而言也没有必要这么做。但这些正是PHYS程序机能的核心。由于Windows 95并未提供方法让我们获得page mapping的关系，PHYS只好绕过操作系统自己来。PHYS的一部分代码走在刀锋边缘，促使在ring0（x86 CPU的最高权限）中执行。一般应用程序都在ring3执行，未经过操作系统的谨慎控制，不可能进入ring0。由于PHYS所需的ring0代码并未经过操作系统核准，我必须写一个一般性的机制，让ring3的Win32程序可以调用ring0代码。你可以轻易修改PHYS ring0代码，放入你自己的应用程序中。
为了把线性地址映射到实际地址，GetPhysicalAddrFromLinera函数必须“Party with”page tables。“Party with”是微软的官方术语，意思是做某些你不应该做的事。Page Tables是一个复杂的主题，我将在下一节“Memory Context”中描述它。如果现在你不知道什么是page tables，只要把它想象是一个数据结构，用来描述线性地址与实际地址之间的映射关系即可。Page tables由操作系统维护，提供给CPU使用。阅读CPU手册，你会发现Page Directory由寄存器CR3保存。不幸的是，你必须拥有很高的权限才能取出CR3的值。企图在ring3取出CR3的值只会导致一个General Protection Fault（异常情况 0Dh）。当Windows 95看到这个异常情况后，它会分析这个指令并发现后者并没有足够的权限。Windows 95并不会把发出这个指令的程序结束掉，它只是无声无息的把控制权交还给应用程序。但，当然不含CR3的值。
这意味着什么？Windows 95不让应用程序偷袭Page Tables。当然啦，我可以写一个VxD（它在ring0执行）取出CR3的值，但是我不喜欢我的系统中围绕太多的VxDs。此外，即使我能够取得CR3的值，还有一个大问题。CR3值代表一个实际地址，却没有什么好办法可以把实际地址转换为线性地址（PHYS只能使用线性地址）。除非我把分页机制关闭（译注：于是实际地址等于线性地址），否则我似乎不能对CR3值做些什么。
另一个想法是，看看Windows 95能不能把page tables映射为ring3代码能够直接使用的线性地址。我们知道整个4MB page tables总是被映射在线性地址0xFF800000处（距线性地址顶端8MB）。那么你是不是可以产生一个指针，指向该处，就可以直接读取page tables的内容？不，没这么好，这些表格并非如你所想得没有保护。Page Directory以及每个Page Table中的每一笔数据都有一个user/supervisor位，指示“任何权限等级的代码都可以存取它”或是“只有ring0代码才能存取它”。每个Page Table的user/supervisor位都是0，表示整个4MB Page Tables对于ring3代码而言是块禁地，我们势必得将我们的代码在ring0执行，才能取得page tables。
从一个ring3 Windows程序中调用ring0 16位代码，重点其实在于所谓的CPU Call gates，它提供一种让“低权限的代码调用高权限代码，例如ring3调用ring0”的方法。由于Windows并没有给你这么一个Call gates，所以要想实现就必须进入LDT并产生一个call gate。为了进入LDT，使用INT 2Fh子功能即可。
在一个Win32程序中以一般化的机制调用ring0代码，当然是比较棘手的，但不会太棘手。下面所列的GetPhysicalAddressFromLinear就是个好例子。首先，你必须调用GetRing0Callgate以产生一个call gate selector。该函数接受两个参数，第一个是“你所希望执行的ring0代码”的32位线性地址，第二个是DWORD参数的个数，它们将被压倒stack之中，供ring0代码取用。
一但你拥有call gate selector，下一个动作就是把它存储在一个6位数组的远程指针中（也就是一个FWORD）。6位数组？ 是的，在32位模式中，远程调用是通过一个16位selector和一个32位偏移地址实现的。偏移地址是32位，这暗示着selector将是针对32位节区而非16位节区，这就有点像Win32程序的flat地址模式。我们希望利用这个call gate selector做出一个远程调用，为的是让CPU切换至ring0。在下面的示例代码中，call gate selector被存储在6位数组的较高三个WORDs。指针的偏移值并不重要，因为CPU会忽略它们，并从call gate描述符所记录的偏移值中载入EIP中。产生这个指针之后，程序代码改用嵌入式汇编调用此指针函数（因为C编译器只知道32位近程调用）。我在调用call gate的动作前后加入了cli和sti两个指令，为的是避免在ring0中发生中断（Interrupts）。
DWORD GetPhysicalAddrFromLinear( DWORD linear)
{
if ( !callgate1 )
{
callgate1 = GetRing0Callgate( (DWORD)_GetPhysicalAddrFromLinear,1 );
}
if ( !callgate1 )
{
WORD myFwordPtr[3];
myFwordPtr[2] = callgate1;
__asm push [linear]
__asm cli
__asm call fword ptr [myFwordPtr]
__asm sti
// The return value is in EAX. The compiler will complain, but…..
}
else
return 0xFFFFFFFF;
}
从Win32程序进入ring0有些奇特的要求。为了某些因素，我必须写一个PAGETABL.ASM。第一，16:32远程调用会使得CPU设置8位数组到stack中，而不是传统的4位。因此在设定EBP Frame之后，第一个参数是EBP+0Ch而不是EBP+08h。更重要的，欲返回至ring3时，需要一个16:32 RETF而不是32位的近程返回。和16:32远程调用一样，编译器也不知道怎么产生一个16:32 RETF。
现在让我做一个整理。当你从Win32程序中调用ring0，第一步是写ring0代码，并注意上面的警告。接下来在Win32代码中调用GetRing0Callgate，把你的ring0函数名及其参数个数传回去。然后根据这个call gate产生一个16:32远程指针，并调用之。最后，当你不再需要那个ring0函数，调用FreeRing0Callgate释放即可。整个过程并不是很精简，但总比全部由操作系统支配的好。
Memory Contexts
虽然抽象说明memory context也是不错，不过有时候来点实际经验更好。Windows 95必须维护一些数据结构，用以记录那一页的RAM映射到进程到哪一块线性地址。为了了解Windows 95的memory context，你必须了解CPU的分页机制。我将带你快速浏览80386的分页机制，至于更先进的细节就省略不提了。如果你对分页有兴趣，请参考Intel 手册或其他386架构的书籍。
80386级的CPU使用两层查询表格，将一个线性地址转换为一个实际地址，再送往地址总线上（address bus）。第一层查询表格称为页目录（page directory），有4KB那么大，可视为1024个DWORDs组成的数组。每个DWORD内含一个实际地址，指向一个名为页表（page table）的4KB空间—它同样也是1024个DWORDs组成的数组，每个DWORD内含一个实际地址，指向4KB物理内存（RAM）。
为了使用页目录（page directory）和页表（page table），CPU把32位线性地址分割为三部分，如图5-5所示。最高10个位给CPU当作页目录（page directory）数组的索引，选出一个页表（page table）。接下来的10个位则当作页表的索引，选出一项数据，内含4KB RAM的起始地址。最后12个位则用来为这4KB RAM的偏移值，精确指出一个实际的二进制位。
那么CPU到哪里找出页目录（page directory）呢？CR3寄存器是也！这是80386所引入的一个特殊寄存器。Memory context的最粗糙的产生方式就是为每个进程产生一个页目录（page directory）以及1024个页表（page table），然后在适当时刻改变CR3寄存器的内容，使其指向当前进程的页目录（page directory）。
这种做法的问题是，为了映射整个4GB地址空间，你需要1024个页表（page table），每个大小是4KB。每个进程光为这个就耗掉4MB内存，不符合经济效益。Windows 95的做法是只维护一块4MB区域当作页表（page table），并时时修改页目录（page directory）的内容，使CPU能够快速改变页面映射。
也许你担心，光为了分页就用掉4MB，是不是太多了些？噢，不必担心，操作系统可以通过页目录（page directory）这一层，告诉CPU说某个页表（page table，占用4KB）不在内存中（not present），于是就可以省下4KB RAM。页目录（page directory）和页表（page table）很少真正使用将近4MB的实际内存，但它们的确是使用4MB地址空间，就从FF800000h开始。页目录（page directory）也位于这4MB之中。利用SoftICE/W可以观察到它们。
你可以轻易找出页目录（page directory）的线性地址：只要利用SoftICE/W的CR命令取出CR3值。在我的机器上，CR3为6EE000h。这是一个实际地址，所以你必须先将其转换为线性地址才能够在程序中使用。SoftICE/W的PHYS命令可以轻易的完成此事，它会搜寻所有的页表（page table），找出所有与“你所指定的实际地址”有映射关系的线性地址。下达PHYS 6EE000h命令，我获得两个线性地址，其中第二个是FFBFE000h，正位于保留给页表使用的4MB地址空间中。
既然我们能够通过SoftICE/W找到页目录，我们应该能够在页目录中设立一个硬件写入断点（write breakpoint），以证明或推翻前面我说的有关于memory context swithing的论点。如果中断点确实起作用了，表示context switching的确是因为对页表的操作而完成，同时，前述的写入地址也可以给我们一个线所，让我们更清楚context switching的反应。
我在SoftICE/W上做个小小的实验，证实页目录确实会改变。为了观察，我回头看看写入动作发生前的一些指令，如下所示：
_ContextSwitch
0028:C0004856 MOV EAX,[C001084C]
0028:C000485B MOV EDX,[ESP+04]
0028:C000485F CMP EAX,EDX
0028:C0004861 JZ C0004893
0028:C0004863 PUSH ESI
0028:C0004864 PUSH EDI
0028:C0004865 MOV EDI,FFBFE000
0028:C000486A MOV ECX,[EDX+04]
0028:C000486D MOV ESI,[EDX]
0028:C000486F REPZ MOVSD
0028:C0004871 MOV ECX,[EAX+04]
0028:C0004874 SUB ECX,[EDX+04]
0028:C0004877 JBE C0004880
0028:C0004879 MOV EAX,[C00107E0]
0028:C000487E REPZ STOSD
0028:C0004880 XCHG EDX,[C001084C]
0028:C0004886 MOV EAX,EDX
0028:C0004888 MOV ECX,[C0010CDC]
0028:C000488E MOV CR3,ECX
0028:C0004891 POP EDI
0028:C0004892 POP ESI
0028:C0004893 RET
_ContextSwitch的核心动作是REPZ MOVSD和REPZ STOSD两个指令。REPZ MOVSD之前的三个MOV指令是用来设定某个东西，用以将一块内存从某处复制到另一处。复制的对象是FFBFE000h，这正是我们稍早所见的页目录的起始位置。这表示，此一常式产生了一组新的页表，映射到页目录之中。它所复制的每个DWORDs都对应于页表（最大有1024个）中的一个。
另一件有趣的事情是，被移动的DWORDs个数并未写死。相反的，程序代码在入ECX，内含DWORDs个数。第二个指令REPZ STOSD的效果并不明显，它用来比较“这一次被复制的DWORDs个数”和“前一次_ContextSwitch被调用时所复制的DWORDs个数”。如果本次比前一次少，表示有一些页表是前一个memory context专用的，新的memory context不应该看到。如有必要，REPZ STOSD会把其他的页目录数据项（参看译注）标记为“non-present”。
译注：
我所谓的“页目录数据项”就是“page directory entries”，有人简称为PDE。至于page table entries，有人简称为PTE。
SoftICE/W很好心的把_ContextSwitch标记放在程序列表的顶端。_ContextSwitch是VMM的一个Services，其地址出现在VMM Services表格中，此表格通过VMM的Device Descriptor Block（DDB）的一个标志位指出。SoftICE/W如何知道这个Service的名称？请看看Windows 95 DDK中的VMM.INC。每一行若以VxD_Service起头，就是VMM VxD的Service。接近底部的地方你会看到_ContextSwitch。另两个邻近的Services：_PageModify和_PageModifyPermissions，也很有趣。
我们发现，Windows 95必须保持一组pages，以及一个页数值，给每个memory context使用。再一次我们可以利用SoftICE/W的Addr命令验证之：
在这个列表之中，FREECELL、WINMINE、MMTASK以及HEAPWALK都是Win16程序。有趣的是，即使Win16程序可以彼此看到对方，Windows 95一样以分离的进程对待之，并以不同的memory context伺候。然而这只是一种理论，因为Win16的程序代码和数据区总是被载入到共享区域（0-4MB以及2GB以上）。因此，Win16程序总是能够看到彼此，甚至虽然技术上它们拥有不同的memory context。
上述列表中的其他进程都是Win32进程。Tables位容易引起误会，它其实是指构成该memory context所需的页表的个数。每个页目录映射1024个页表，每个page table entry（PTE）映射到一个4KB区域，每个page directory entry（PDE）映射到4MB线性地址空间。请注意，16位程序只使用两个页表，这是因为16程序不需要Win32进程区域（0x00400000-0x7FFFFFFF）。至于Win32进程就一定需要这个区域了，不过其中大部分也都是“not present”。
对于Windows 95的memory context这里我不再继续了，因为和现在的Windows 2000/XP差异太大，对于现在的学习没有什么价值。
Windows 95的内存管理函数
Windows 95的内存管理函数分为四层，上层函数依赖下层函数。最底层是VMM提供的函数，用来分配大块内存并在其中操作pages。应用程序并不直接调用这一层的函数，KERNEL32.DLL才会用到它们，用以完成高层的函数。
第二层是KERNEL32提供的VirtualXXX函数：VirtualAlloc、VirtualFree、VirtualProtect等等。这些函数都是以VMM函数为基础的，用来管理大块内存，并以page为单位。
更上一层是KERNEL32的HeapXXX寒暑，包括：HeapAlloc、HeapFree、HeapCreate等等。它们大约相当于C函数库中的内存管理函数（如malloc、free等）。事实上，在Windows NT SDK的C函数库中，malloc只是HeapAlloc的另一个包装而已。最上一层是LocalXXX和GlobalXXX函数。但和Win16不同的是，这两组函数基本上没有差别，例如LocalAlloc就和GlobalAlloc完全相同。KERNEL32开放出这两个函数，但使用同一个函数地址。LocalXXX和GlobalXXX其实只是HeapXXX的一层外包装而已，已没有太多理由需要在Win32程序中使用LocalAlloc和GlobalAlloc这样的函数。这些内存管理函数不再像Win16的GlobalAlloc那样需要和selector打交道，也不再像Win16的LocalAlloc一样从程序的数据区中挖空间。它们之所以继续存在于Win32，主要理由就是让原来的Win16程序更容易生存。本章剩余部分会深入挖掘这四层函数。除了最底层的VMM函数之外，我会提供每个内存管理函数的虚拟代码。某些Win32函数可能没有在Windows 95中实做出来，或者可能只是单纯映射到其他函数。我都会意义之处。
VMM函数
此处的内容，不再适用于Windows NT系列，这里就不再罗嗦了。
Win32的Virtual函数
译注：
此处的Virtual函数是指以Virtual开头的Win32 API（都与内存管理有关）。和C++中的虚拟函数（Virtual function）没有任何关系。
Win32内存管理API函数中最底层的就是Virtual函数，例如VirtualAlloc和VirtualProtect。这些Virtual函数用来管理和分配大块内存。在Windows 95之中，Virtual函数对内存的基本单位是4KB，这使得它们不适合用来取代C/C++的malloc和new。它们之中大部分都是VMM函数的一层薄包装。关于这一点，当我展示Virtual函数的虚拟代码是你就会看出来。
Win16之中与这些Virtual函数最接近的要算是GlobalHeap函数了，例如GlobalAlloc。Win16的GlobalHeap函数和Win32的Virutal函数都允许你分配大块内存。但是和GlobalHeap不同的是，Virtual函数并不使用selector来指向内存块。它们以4KB为内存的最小单位，不使用selector。而Win16 GlobalHeap函数允许你配置相20h那么小的内存块。
VirtualAlloc
VirtualAlloc有多重功能。任何VMM内存管理器对待线性内存的每一个page的态度都是free、reserved或committed。VirtualAlloc使你得以单向改变某一个范围内的pages的状态。它可以改变page的状态，从free到reserved，或是从free到committed。此外，它也可以改变原本reserved的pages成为committed状态。
最后一种改变，从reserved到committed，对于稀疏内存和stack的实现极有价值。程序首先利用VirtualAlloc保留一块够大的内存空间，足够满足程序中的任何要求。然后程序设定一个结构化异常例程（Structured Exception Handler）搜寻被保留的内存范围内的page faults。当这些page faults发生，程序再次调用VirtualAlloc。这一次VirtualAlloc把引起page fault的pages，从reserved状态改变为committed状态。这样一来程序就可以分配巨量内存而不需要先获得实际的RAM。只有当这些pages真正被使用了，才需要映射到实际的RAM。
一般而言，VirtualAlloc被操作系统和应用程序使用，在程序的地址空间（也就是2GB以下）分配内存。然而，它有一个未公开的标志（0x80000000），允许它获取2GB以上的内存。你可以使用内存映射文件完成相同的事情。事实上，粗略的说，内存映射文件所使用的地址范围，正相当于VirtualAlloc以0x80000000标志分配而来的地址。
Win32 VirtualAlloc函数保留内存时，是以最接近的64KB边界开始的。然而，并不是VirtualAlloc做这个“切割”动作，是VirtualAlloc调用_PageReserve完成。
VirtualAlloc首先检查请求的内存是否太大。这里的“太大”意味着超过2GB-4MB，这是一个应用程序的线性地址保留区的大小。然后，VirtualAlloc计算出需要多少pages，然后把开始的地址下移到最接近的4KB边界，也把最末端的位置上移到最接近的4KB边界。因此，如果你要求2bit的空间，一个在某个page的最后，另一个在另一page的最前面，那么VirtualAlloc会尝试保留两个pages。
本文地址：http://com.8s8s.com/it/it23676.htm