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windows - 为什么 Windows 为其系统地址空间保留 1Gb(或 2 Gb)?

coder 2023-06-04 原文

众所周知,Windows 应用程序在 32 位系统上通常具有 2Gb 的私有(private)地址空间。这个空间可以通过/3Gb 开关扩展到 3Gb。

操作系统会为自己保留剩余的 4Gb。

我的问题是为什么?

在内核模式下运行的代码(即设备驱动程序代码)有自己的地址空间。为什么在独占的 4Gb 地址空间之上,操作系统仍要为每个用户模式进程保留 2Gb?

我认为原因是用户模式和内核模式调用之间的转换。例如,对 NtWriteFile 的调用将需要内核调度例程的地址(因此系统在每个应用程序中保留 2Gb)。但是,使用 SYSENTER,系统服务编号是否足以让内核模式代码知道正在调用哪个函数/服务?

如果您能向我解释为什么操作系统占用每个用户模式进程的 2Gb(或 1Gb)如此重要。

最佳答案

两个不同的用户进程有不同的虚拟地址空间。因为虚拟↔物理地址映射不同,TLB将上下文从一个用户进程切换到另一个用户进程时,缓存无效。这是非常昂贵的,因为如果没有缓存在 TLB 中的地址,任何内存访问都会导致错误和 PTE 的遍历。秒。

系统调用涉及两个上下文切换:用户→内核,然后内核→用户。为了加快速度,通常会保留前 1GB 或 2GB 的虚拟地址空间供内核使用。因为虚拟地址空间不会在这些上下文切换之间发生变化,所以不需要 TLB 刷新。这是由每个 PTE 中的用户/主管位启用的,它确保内核内存只能在内核空间中访问;即使页表相同,用户空间也无权访问。

如果硬件支持两个独立的 TLB,其中一个专门供内核使用,那么这种优化将不再有用。但是,如果你有足够的空间来奉献,那么只做一个更大的 TLB 可能更值得。

x86 上的 Linux 曾经支持一种称为“4G/4G 拆分”的模式。在这种模式下,用户空间可以完全访问整个 4GB 的虚拟地址空间,内核也拥有一个完整的 4GB 虚拟地址空间。如上所述,成本是 每个 系统调用都需要 TLB 刷新,以及在用户和内核内存之间复制数据的更复杂的例程。经测量,这会导致高达 30% 的性能损失。


自从最初提出并回答这个问题以来,时代已经发生了变化:64 位操作系统现在更加普遍。在 x86-64 上的当前操作系统中,用户程序允许从 0 到 247-1 (0-128TB) 的虚拟地址,而内核永久驻留在 247×(217-1) 到 264-1(或从 -247 到 -1,如果您将地址视为有符号整数)。

如果您在 64 位 Windows 上运行 32 位可执行文件会发生什么?您会认为从 0 到 232 (0-4GB) 的所有虚拟地址都很容易获得,但为了避免暴露现有程序中的错误,32 位可执行文件仍然限制为 0- 2GB,除非它们使用 /LARGEADDRESSAWARE 重新编译。对于那些,他们可以访问 0-4GB。 (这不是一个新标志;同样适用于使用 /3GB 开关运行的 32 位 Windows 内核,它将默认的 2G/2G 用户/内核拆分更改为 3G/1G,当然3-4GB 仍然超出范围。)

可能存在哪些错误?例如,假设您正在实现快速排序并且有两个指针,ab 分别指向数组的开头和结尾。如果你用 (a+b)/2 选择中间作为枢轴,只要两个地址都低于 2GB 就可以工作,但如果它们都在上面,那么加法会遇到整数溢出,结果将在数组之外。 (正确的表达式是a+(b-a)/2。)

顺便说一句,具有默认 3G/1G 用户/内核拆分的 32 位 Linux 历史上运行的程序的堆栈位于 2-3GB 范围内,因此任何此类编程错误都可能很快被清除. 64 位 Linux 允许 32 位程序访问 0-4GB。

关于windows - 为什么 Windows 为其系统地址空间保留 1Gb(或 2 Gb)?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/1115033/

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