让32位应用程序不再为2G内存限制苦恼

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：

1. [boot loader]
2. timeout=30
3. default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS
4. [operating systems]
5. 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。

1. #if (_WIN32_WINNT >= 0x0500)
2. //
3. // Very Large Memory API Subset
4. //
5. WINBASEAPI
6. BOOL
7. WINAPI
8. AllocateUserPhysicalPages(
9. __in    HANDLE hProcess,
10. __inout PULONG_PTR NumberOfPages,
11. __out_ecount_part(*NumberOfPages, *NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
12. );
13. WINBASEAPI
14. BOOL
15. WINAPI
16. FreeUserPhysicalPages(
17. __in    HANDLE hProcess,
18. __inout PULONG_PTR NumberOfPages,
19. __in_ecount(*NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
20. );
21. WINBASEAPI
22. BOOL
23. WINAPI
24. MapUserPhysicalPages(
25. __in PVOID VirtualAddress,
26. __in ULONG_PTR NumberOfPages,
27. __in_ecount_opt(NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
28. );
29. //...
30. #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。

1. #ifndef _WIN32_WINNT
2. #define _WIN32_WINNT 0x0501
3. #endif

下面简要介绍一下每个API的功能。

1. BOOL WINAPI AllocateUserPhysicalPages(  //分配物理内存页,用于后面AWE的内存映射
2. __in     HANDLE hProcess,     //指定可以使用此函数分配的内存页的进程
3. __inout  PULONG_PTR NumberOfPages,    //分配的内存页数,页的大小由系统决定
4. __out    PULONG_PTR UserPfnArray  //指向存储分配内存页帧成员的数组的指针
5. );
6. BOOL WINAPI FreeUserPhysicalPages(  //释放AllocateUserPhysicalPages函数分配的内存
7. __in     HANDLE hProcess,     //释放此进程虚拟地址空间中的分配的内存页
8. __inout  PULONG_PTR NumberOfPages,    //要释放的内存页数
9. __in     PULONG_PTR UserPfnArray  //指向存储内存页帧成员的数组的指针
10. );
11. BOOL WINAPI MapUserPhysicalPages(   //将分配好的内存页映射到指定的地址
12. __in  PVOID lpAddress,        //指向要重映射的内存区域的指针
13. __in  ULONG_PTR NumberOfPages,    //要映射的内存页数
14. __in  PULONG_PTR UserPfnArray     //指向要映射的内存页的指针
15. );

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。

1. #include "AWE_TEST.h"
2. #include <windows.h>
3. #include <stdio.h>
4. #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.
5. #define MEMORY_VIRTUAL 1024*1024*512        //申请长度0.5G的虚拟内存,即AWE窗口.
6. //检测"锁定内存页"权限的函数
7. BOOL LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess, BOOL bEnable);
8. void _cdecl main()
9. {
10. BOOL bResult;                   // 通用bool变量
11. ULONG_PTR NumberOfPages;        // 申请的内存页数
12. ULONG_PTR NumberOfPagesInitial; // 初始的要申请的内存页数
13. ULONG_PTR *aPFNs;               // 页信息,存储获取的内存页成员
14. PVOID lpMemReserved;            // AWE窗口
15. SYSTEM_INFO sSysInfo;           // 系统信息
16. INT PFNArraySize;               // PFN队列所占的内存长度
17. GetSystemInfo(&sSysInfo);  // 获取系统信息
18. printf("This computer has page size %d./n", sSysInfo.dwPageSize);
19. //计算要申请的内存页数.
20. NumberOfPages = MEMORY_REQUESTED/sSysInfo.dwPageSize;
21. printf ("Requesting %d pages of memory./n", NumberOfPages);
22. // 计算PFN队列所占的内存长度
23. PFNArraySize = NumberOfPages * sizeof (ULONG_PTR);
24. printf ("Requesting a PFN array of %d bytes./n", PFNArraySize);
25. aPFNs = (ULONG_PTR *) HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, PFNArraySize);
26. if (aPFNs == NULL)
27. {
28. printf ("Failed to allocate on heap./n");
29. return;
30. }
31. // 开启"锁定内存页"权限
32. if( ! LoggedSetLockPagesPrivilege( GetCurrentProcess(), TRUE ) )
33. {
34. return;
35. }
36. // 分配物理内存,长度2.5GB
37. NumberOfPagesInitial = NumberOfPages;
38. bResult = AllocateUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),
39. &NumberOfPages,
40. aPFNs );
41. if( bResult != TRUE )
42. {
43. printf("Cannot allocate physical pages (%u)/n", GetLastError() );
44. return;
45. }
46. if( NumberOfPagesInitial != NumberOfPages )
47. {
48. printf("Allocated only %p pages./n", NumberOfPages );
49. return;
50. }
51. // 保留长度0.5GB的虚拟内存块(这个内存块即AWE窗口)的地址
52. lpMemReserved = VirtualAlloc( NULL,
53. MEMORY_VIRTUAL,
54. MEM_RESERVE | MEM_PHYSICAL,
55. PAGE_READWRITE );
56. if( lpMemReserved == NULL )
57. {
58. printf("Cannot reserve memory./n");
59. return;
60. }
61. char *strTemp;
62. for (int i=0;i<5;i++)
63. {
64. // 把物理内存映射到窗口中来
65. // 分5次映射,每次映射0.5G物理内存到窗口中来.
66. // 注意,在整个过程中,lpMenReserved的值都是不变的
67. // 但是映射的实际物理内存却是不同的
68. // 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
69. // 并在每段的开头写入一串字符串.
70. bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
71. NumberOfPages/5,
72. aPFNs+NumberOfPages/5*i);
73. if( bResult != TRUE )
74. {
75. printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
76. return;
77. }
78. // 写入字符串,虽然是写入同一个虚存地址,
79. // 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
80. strTemp=(char*)lpMemReserved;
81. sprintf(strTemp,"This is the %dth section!",i+1);
82. // 解除映射
83. bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
84. NumberOfPages/5,
85. NULL );
86. if( bResult != TRUE )
87. {
88. printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
89. return;
90. }
91. }
92. // 现在再从5段内存中读出刚才写入的字符串
93. for (int i=0;i<5;i++)
94. {
95. // 把物理内存映射到窗口中来
96. bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
97. NumberOfPages/5,
98. aPFNs+NumberOfPages/5*i);
99. if( bResult != TRUE )
100. {
101. printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
102. return;
103. }
104. // 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
105. strTemp=(char*)lpMemReserved;
106. printf("%s/n",strTemp);
107. // 解除映射
108. bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
109. NumberOfPages/5,
110. NULL );
111. if( bResult != TRUE )
112. {
113. printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
114. return;
115. }
116. }
117. // 释放物理内存空间
118. bResult = FreeUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),
119. &NumberOfPages,
120. aPFNs );
121. if( bResult != TRUE )
122. {
123. printf("Cannot free physical pages, error %u./n", GetLastError());
124. return;
125. }
126. // 释放虚拟内存地址
127. bResult = VirtualFree( lpMemReserved,
128. 0,
129. MEM_RELEASE );
130. // 释放PFN队列空间
131. bResult = HeapFree(GetProcessHeap(), 0, aPFNs);
132. if( bResult != TRUE )
133. {
134. printf("Call to HeapFree has failed (%u)/n", GetLastError() );
135. }
136. }
137. /*****************************************************************
138. 输入:
139. HANDLE hProcess: 需要获得权限的进程的句柄
140. BOOL bEnable: 启用权限 (TRUE) 或 取消权限 (FALSE)?
141. 返回值: TRUE 表示权限操作成功, FALSE 失败.
142. *****************************************************************/
143. BOOL
144. LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess,
145. BOOL bEnable)
146. {
147. struct {
148. DWORD Count;
149. LUID_AND_ATTRIBUTES Privilege [1];
150. } Info;
151. HANDLE Token;
152. BOOL Result;
153. // 打开进程的安全信息
154. Result = OpenProcessToken ( hProcess,
155. TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES,
156. & Token);
157. if( Result != TRUE )
158. {
159. printf( "Cannot open process token./n" );
160. return FALSE;
161. }
162. // 开启 或 取消?
163. Info.Count = 1;
164. if( bEnable )
165. {
166. Info.Privilege[0].Attributes = SE_PRIVILEGE_ENABLED;
167. }
168. else
169. {
170. Info.Privilege[0].Attributes = 0;
171. }
172. // 获得LUID
173. Result = LookupPrivilegeValue ( NULL,
174. SE_LOCK_MEMORY_NAME,
175. &(Info.Privilege[0].Luid));
176. if( Result != TRUE )
177. {
178. printf( "Cannot get privilege for %s./n", SE_LOCK_MEMORY_NAME );
179. return FALSE;
180. }
181. // 修改权限
182. Result = AdjustTokenPrivileges ( Token, FALSE,
183. (PTOKEN_PRIVILEGES) &Info,
184. 0, NULL, NULL);
185. // 检查修改结果
186. if( Result != TRUE )
187. {
188. printf ("Cannot adjust token privileges (%u)/n", GetLastError() );
189. return FALSE;
190. }
191. else
192. {
193. if( GetLastError() != ERROR_SUCCESS )
194. {
195. printf ("Cannot enable the SE_LOCK_MEMORY_NAME privilege; ");
196. printf ("please check the local policy./n");
197. return FALSE;
198. }
199. }
200. CloseHandle( Token );
201. return TRUE;
202. }

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。