.NET Core内存结构体系(Windows环境)底层原理解析

物理内存与虚拟内存物理内存

先说两个基础概念，搞懂了它们，后面的东西才能串起来。

• 物理内存（Physical Memory）

这没什么好说的，就是计算机硬件里实实在在的RAM，比如你插的那根DDR5内存条。它直接通过总线跟CPU打交道，专门用来临时存着正在运行的程序和数据。

• 虚拟内存（Virtual Memory）

这个就有点意思了。它是操作系统凭空“编”出来的一层抽象内存，把物理内存和磁盘空间（比如页面文件或者交换分区）搅在一起，给每个程序都提供一段连续、独立的内存空间。说白了，你写程序的时候，根本不用管数据到底在内存条上，还是在硬盘的某个角落里，只需要跟虚拟内存地址打交道就行。

用户只需要与虚拟内存地址打交道，而无需关心数据到底分配在哪里

眼见为实

物理页4K对齐

在Windows系统里，一切内存操作都以4K为最小单位，这个单位就叫物理页。操作系统分配内存时，永远是4K的整数倍。举个例子，你申请1K，它给你分配4K；你申请5K，它就给你分配8K。就是这么粗暴，但高效。

眼见为实

void page4k() {for (int i = 0; i < 200; i++) {//1k 的占用LPVOID ptr = VirtualAlloc(NULL, 1024 * 1, MEM_RESERVE | MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);printf("i=%d, 1k, address:%#0.8x \n", i + 1, ptr);}for (int i = 200; i < 400; i++) {//5k 的占用LPVOID ptr = VirtualAlloc(NULL, 1024 * 5, MEM_RESERVE | MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);printf("i=%d, 5k, address:%#0.8x \n", i + 1, ptr);}getchar();}

申请1k分配4k

申请5k分配8k

物理内存与虚拟内存如何映射？

虚拟地址和物理地址之间怎么搭上线？Windows用了二叉树结构（5层）来实现这种高效映射。这层映射关系，是整个内存管理的核心。

举个例子，假设有个32bit的内存地址：0x77b01a42，它的二进制是：01110，11110，11000，00001，101001000010。这串数字怎么用呢？

• 前20位用来构建页表树，实现物理页的高效映射
• 后12位映射物理页内的偏移量

操作系统以4K为一个单位对内存进行分组。4G内存有多少个物理页？算一下：1024*1024*1024*4/(4/1024) = 1048576个。上百万个物理页，如果没有这颗5层二叉树去索引，效率简直不敢想象。

眼见为实：以notepad为例

任务管理：

Windbg:

看到没？同样一个notepad，任务管理器显示占用44.6MB内存，而Windbg显示占用489.531MB内存。为什么差距这么大？原因在于显示逻辑不同：任务管理器显示的是Private WorkingSet，这是物理内存，也就是内存条上的内存；而Windbg显示的是Commit，指的是虚拟内存地址，这包括内存条上的内存，pagefile，image三种。

眼见为实：可视化观察 虚拟地址 => 物理地址

用Windbg进入内核态，这很重要。大家可以猜猜为什么非得进内核态。

随便找一个字符串的内存地址

• 使用dp观察虚拟地址
• 使用!vtop 观察映射信息
• 使用!db观察物理地址

眼见为实：空指针区与用户态区

Windows和Linux在默认情况下，都会开启ASLR（地址空间布局随机化）。如果想把这块研究透，需要关闭这个技术才能复现。ASLR是一种针对缓冲区溢出攻击等内存攻击技术而设计的安全特性。没有ASLR时，程序加载到内存中的位置是固定的，攻击者可以预测模块的加载地址，从而构造恶意代码。启用ASLR后，操作系统在每次启动程序时会随机化内存布局，包括可执行文件、动态链接库、堆、栈等的加载地址，大大增加攻击难度。

Reserved与Commit

这两个概念，是理解虚拟内存分配的关键。

• Reserved

在虚拟地址上申请一段内存空间，此时操作系统会同步创建页表树，但并未映射到物理内存。这时候你要是对这块虚拟内存进行读写，等着你的就是异常。

• Commit

给页表树调配真实的物理内存，只有这一步完成后，才能正常写入数据。

眼见为实: Reserved

void  mem_reserved() {LPVOID ptr = VirtualAlloc(NULL, 4 * 1024, MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);*(int*)(ptr) = 10;  //在首地址上写入内容。printf("num=%d", *(int*)ptr);}

眼见为实: Commit

void  mem_commit() {LPVOID ptr = VirtualAlloc(NULL, 4 * 1024, MEM_RESERVE | MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);*(int*)(ptr) = 10;  //在首地址上写入内容。printf("num=%d", *(int*)ptr);}

NT堆

NT堆是Windows NT内核引入的内存管理组件，主要负责进程内的堆内存分配与释放。在Windows系统里，进程使用NT堆来动态分配和管理内存，比如程序中的malloc()（C语言）、new（C++）等函数，底层通常就依赖NT堆机制。

前面说到，VirtualAlloc方法会一次性分配64K整数倍的内存段，内部对象按4K的内存页对齐。如果让应用程序直接操作VirtualAlloc，难免会造成大量内存浪费。为了提高内存性能与使用效率，Windows又提供了一层抽象，以提供更细颗粒度的内存管理，它就是NT堆。

• 在32bit平台上：8byte为一个分配粒度
• 在64bit平台上：16byte为一个分配粒度

• CRT堆：C运行时使用的堆，默认是对NT堆的简单封装
• 托管堆：用作特殊用途的，自行实现的一套内存池管理机制，比如GC堆

从图中可以看出，用不用NT堆，完全取决于程序员自己。你可以绕过NT堆，直接使用VirtualAlloc来分配内存，只要你能接受内存浪费。

眼见为实：GC堆，底层使用VirtualAlloc分配内存

static void Main(string[] args)        {            var rand = new Random();            List list = new List();            for (int i = 0; i < 100000; i++)            {                var str = string.Join(",", Enumerable.Range(0, rand.Next(1, 1000)));                list.Add(str);                Console.WriteLine($"i={i},length={str.Length}");            }            Console.ReadLine();        }

在bp KERNELBASE!VirtualAlloc 下断点

眼见为实：CRT堆/NT堆，底层使用VirtualAlloc分配内存

​#include #include void crt_c() {for (int i = 0; i < 10000000; i++) {int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 1000);*(ptr) = 10;printf("第 %d 次分配 \n", i);}}​

在 bp ntdll!NtAllocateVirtualMemory 下断点