NTOSKRNL 内存管理器（MM）分析

NTOSKRNL 内存管理器（MM）分析

概述

ReactOS 内核的内存管理器（Memory Manager，简称 MM）位于ntoskrnl\mm\目录。它由两套子系统组成：

• 旧版 MM（ntoskrnl\mm\*.c，根目录）：ReactOS 早期实现的独立内存管理器
• ARM3 MM（ntoskrnl\mm\ARM3\*.c）：后来引入的、对齐 Windows NT 架构的新内存管理器，目前是主力实现

两套子系统并存，部分功能由 ARM3 覆盖，部分仍由旧版提供。架构相关代码分离在i386/、amd64/、arm/子目录中。

1. 目录文件清单与作用

1.1 根目录文件（Legacy / 旧版 MM）

1.2 ARM3 子系统（ARM3/目录）

ARM3 是当前的主力内存管理器实现，采用分层架构，各文件职责如下：

初始化与基础设施

物理内存管理

虚拟内存管理

页面错误与工作集

池分配器

Section（段对象）与 Session

I/O 与调试支持

1.3 架构相关文件

2. 内存管理流程图

2.1 系统启动初始化流程

Phase0 初始化（MmArmInitSystem Phase=0） │ ├─ MiScanMemoryDescriptors() │ 从 LoaderBlock->MemoryDescriptorList 读取物理内存布局 │ 分类：可用 RAM、XIP ROM、坏块、固件保留等 │ ├─ MiComputeColorInformation() │ 计算 Cache Color（L2 Cache 大小 / 页面大小） │ 初始化颜色表 MiInitializeColorTables() │ ├─ MiBuildPfnDatabase() │ 为每个物理页创建 PFN 条目（约 24 字节/页） │ → 非分页池中为 PFN 数据库预留空间 │ ├─ MiMapPfnDatabase() │ 将 PFN 数据库映射到虚拟地址空间 │ ├─ 初始化系统 PTE 空间（MiInitializeSystemPtes / MiReserveSystemPtes） │ ├─ MiBuildPagedPool() / MiInitializeNonPagedPool() │ 构建分页池和非分页池 │ ├─ MiInitializeMemoryEvents() │ 初始化低内存/高内存事件 │ └─ 初始化工作集管理器参数（MiAdjustWorkingSetManagerParameters） Phase1 初始化（MmArmInitSystem Phase=1） │ ├─ MmInitSystem（旧版 MM 的 Phase1 初始化） │ ├─ MiInitializeLoadedModuleList() │ 建立已加载模块链表，记录所有内核驱动和 DLL │ ├─ MiReloadBootLoadedDrivers() │ 重新处理引导时加载的驱动导入表 │ ├─ MiBuildImportsForBootDrivers() │ 构建导入表解析 │ ├─ MiInitializeLargePageSupport() │ 初始化大页面分配支持 │ ├─ MiInitializeSpecialPool() │ 初始化 Driver Verifier 特殊池 │ └─ MmInitBsmThread() 初始化后台交换元数据线程

2.2 缺页异常处理流程

CPU 触发 Page Fault（CR2 = 故障地址） │ ▼ KiTrap0E（x86 缺页中断处理程序） │ ▼ MmAccessFault (旧版) / MmArmAccessFault (ARM3) │ ├─ 确定故障类型（错误码分析） │ ├─ 页面不存在（位0=0） │ ├─ 写操作违规（位1=1） │ ├─ 用户模式（位2=0） │ └─ 保留位违规（位3=1） │ ├─ MiCheckForUserStackOverflow() │ 检查是否为用户栈溢出 → 自动扩展栈 VAD │ ├─ MiDispatchFault() │ │ │ ├─ MiResolveDemandZeroFault() │ │ 请求置零故障：分配一个零页并映射 │ │ → 调用 MiRemoveZeroPage() 从零页列表取页 │ │ → 若空则从空闲列表取页并调用 MiZeroPhysicalPage() │ │ → 初始化 PFN 条目 │ │ → 填写 PTE │ │ │ ├─ MiResolvePageFileFault() │ │ 页面文件故障：从交换文件读回页面 │ │ → 解析 PTE 中的交换条目（页面文件号 + 槽位偏移） │ │ → MmReadFromSwapPage() → 发起磁盘 I/O │ │ → 等待 I/O 完成 │ │ → 将页面映射到虚拟地址 │ │ │ ├─ MiResolveTransitionFault() │ │ 转换故障：页面在备用/已修改列表中 │ │ → 从列表中移除 │ │ → 重新映射并更新 PFN 状态 │ │ │ ├─ MiResolveProtoPteFault() │ │ 原型 PTE 故障：多个进程共享的映射 │ │ → 复制原型 PTE │ │ → 若需写时复制（COW），分配新页面并复制内容 │ │ → 更新共享计数的 PFN │ │ │ └─ MiCompleteProtoPteFault() │ 完成原型 PTE 故障的后续处理 │ ├─ MiAccessCheck() │ 检查访问权限（读/写/执行） │ └─ 返回 STATUS_SUCCESS 或 引发访问违规异常

2.3 虚拟内存分配流程（NtAllocateVirtualMemory）

NtAllocateVirtualMemory(ProcessHandle, BaseAddress, ZeroBits, Size, AllocationType, Protect) │ ├─ 参数验证（大小对齐、保护标志合法性） │ ├─ MmCheckForContiguousMemory() — 特殊池检查 │ ├─ 锁定工作集锁（WorkingSetLock → AddressSpaceLock） │ ├─ 查找空闲地址范围 │ MiFindEmptyAddressRangeInTree() │ → 遍历 VAD AVL 树，查找满足大小和对齐的空闲区间 │ ├─ 预留（MEM_RESERVE） │ MiInsertVad() │ → 创建 VAD 节点（记录起始地址、大小、保护属性） │ → 插入进程的 VAD AVL 树 │ ├─ 提交（MEM_COMMIT） │ MiCommitPages() │ → 预留系统 PTE（如需要） │ → 更新已提交页面计数（MmTotalCommittedPages） │ → 创建或更新页表项（填写 DemandZero PTE） │ ├─ 释放工作集锁 │ └─ 返回 STATUS_SUCCESS

2.4 页面回收流程（内存平衡器）

内存压力触发（MmAvailablePages 低于阈值） │ ▼ MmRebalanceMemoryConsumers() │ ▼ MiBalancerThread（平衡器内核线程主循环） │ └─ 循环： │ ├─ 计算各消费者应修剪的页面数 │ → 根据消费者优先级和目标值分配配额 │ ├─ MiTrimMemoryConsumer(Consumer) │ │ │ ├─ 调消费者注册的 Trim 回调 │ │ → 对用户进程：MmTrimUserMemory（遍历 LRU 链表） │ │ → 对系统缓存：调用缓存的修剪函数 │ │ │ ├─ 对每个被选中的页面： │ │ 1. MiUnlinkPageFromList() — 从工作集列表移除 │ │ 2. MmDeleteVirtualMapping() — 解除虚拟映射 │ │ 3. rmap 操作 — 删除反向映射记录 │ │ 4. MmWriteToSwapPage() — 将脏页写入交换文件 │ │ 5. MiInsertStandbyListAtFront() — 放入备用列表 │ │ │ └─ 更新可用页面计数 │ ├─ MiZeroPageThread（后台零页线程） │ → 从备用列表取页 → 置零 → 放入零页列表 │ └─ 等待内存压力事件或定时唤醒

2.5 池分配器流程

ExAllocatePoolWithTag(PoolType, NumberOfBytes, Tag) │ ├─ MmDeterminePoolType() — 确定池类型 │ → 非分页池 / 分页池 / 会话池 / 特殊池 │ ├─ 若为特殊池 → MmAllocateSpecialPool() │ → 分配对齐系统 PTE │ → 在分配区域前后设置填充模式 │ → 返回地址并记录元数据 │ ├─ 若为普通池： │ │ │ ├─ 检查小/中/大页面分配 │ │ → 小（< ~4KB）：从池描述符（POOL_DESCRIPTOR）列表分配 │ │ → 中：从位图管理的池页分配 │ │ → 大：调用 MiAllocatePoolPages() 分配整页 │ │ │ ├─ MiAllocatePoolPages() │ │ → 调 MmRequestPageMemoryConsumer() │ │ → 底层调 MiRemoveAnyPage() 或 MiRemoveZeroPage() │ │ → 若失败 → 触发 MiTrimMemoryConsumer() 回收 │ │ → 若仍失败 → 触发 MmRebalanceMemoryConsumers() │ │ │ ├─ 写入池头部（Pool Header），包含标签、大小、前/后填充模式 │ │ │ └─ 返回分配地址（+ Pool Header 大小偏移） │ └─ ExFreePoolWithTag(Ptr) ├─ 检查是否为特殊池 → MmFreeSpecialPool() ├─ 检查填充模式是否被覆盖（越界检测） ├─ MiFreePoolPages() — 释放底层物理页 └─ 更新配额和统计

3. 数据流图

3.1 全局数据结构关系

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ EPROCESS（进程对象） │ │ │ │ VadRoot (AVL 树根) ←────────────────── VAD 节点链表 │ │ ↓ ┌─────────────────┐ │ │ │ VAD 1: 0x00400000-0x00401000 │ StartingVpn │ │ │ │ VAD 2: 0x00402000-0x0040A000 │ EndingVpn │ │ │ │ VAD 3: ..... │ Protection │ │ │ │ │ ControlArea* ──┼──┐ │ │ │ └─────────────────┘ │ │ │ WorkingSetList（工作集页面链表） │ │ │ [PFN1, PFN15, PFN32, ...] │ │ │ │ │ │ DirectoryTableBase（页目录基址 PFN） │ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ CONTROL_AREA（控制区） │◄─┘ │ Segment（段对象指针） │ │ FilePointer（文件对象指针） ──→ 内存映射文件 │ │ TheaSegment（原型 PTE 数组） │ │ NumberOfSectionReferences / NumberOfMappedViews │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ PFN DATABASE（页帧数据库） │ │ │ │ │ │ MmPfnDatabase[PhysicalPageNumber] │ │ │ ┌──────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ │ PFN Entry（~24 字节） │ │ │ │ │ ├─ PageFrameIndex（物理页号） │ │ │ │ │ ├─ PteAddress（指向映射此页的 PTE） ─────→ PTE │ │ │ │ │ ├─ ReferenceCount（引用计数） │ │ │ │ │ ├─ ShareCount（共享计数） │ │ │ │ │ ├─ Flags（页面状态：Modified/Dirty/Accessed/...） │ │ │ │ │ └─ ListEntry（指向所在列表：Free/Standby/Mod/Zero）│ │ │ │ └──────────────────────────────────────────────────┘ │ │ │ │ │ │ 页面列表链： │ │ │ FreeList[color] ←→ StandbyList[color] ←→ ModifiedList │ │ │ ↕ │ │ │ ZeroedList[color] │ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ PTE（页表项 — 硬件页表） │ │ │ │ │ │ 有效 PTE： │ │ │ ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬──────────────────────────────────┐ │ │ │ │V│R│U│W│C│A│D│L│G│N│ PageFrameNumber │ │ │ │ └─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴──────────────────────────────────┘ │ │ │ 交换 PTE： │ │ │ ┌─┬──────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ │0│ PageFileNumber │ SwapSlotOffset │ │ │ │ └─┴──────────────────────────────────────────────────────┘ │ │ │ 原型 PTE： │ │ │ ┌─┬──────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ │0│ ProtoPteBit │ PageFileNum │ SwapSlotOffset │ │ │ │ └─┴──────────────────────────────────────────────────────┘ │ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │

3.2 关键数据流向

应用层 │ │ NtAllocateVirtualMemory / NtFreeVirtualMemory / NtProtectVirtualMemory │ NtCreateSection / NtMapViewOfSection ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ virtual.c — 系统调用处理层 │ │ (参数验证、VAD 操作、页表操作) │ └───────────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ vadnode.c — VAD 树算法 │ │ (AVL 树插入/删除/查找/空闲区间搜索) │ └───────────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ pagfault.c — 缺页异常处理 │ │ (DemandZero / PageFile / Transition / ProtoPte) │ └───┬───────────────┬───────────────┬───────────────────────┘ │ │ │ ▼ ▼ ▼ ┌──────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────────┐ │pfnlist.c │ │ pagefile.c │ │ rmap.c │ │PFN操作 │ │ 交换文件 I/O │ │ 反向映射管理 │ │页面链表 │ │ 槽位分配/释放│ │ 物理→虚拟查找 │ └────┬─────┘ └──────┬───────┘ └──────────────────┘ │ │ ▼ │ ┌──────────────┐ │ │ freelist.c │ │ │ 物理页统计 │ │ └──────────────┘ │ │ ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ balance.c — 内存平衡器 │ │ (回收策略、修剪消费者、工作集管理) │ └───────────────────────────────────────────────────────────┘ 池分配路径： ExAllocatePoolWithTag / ExFreePoolWithTag │ ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ expool.c — Executive 池分配器 │ │ (池描述符、标签跟踪、配额管理、大页表) │ └───────────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ pool.c — 池物理页管理 │ │ (MiAllocatePoolPages / MiFreePoolPages / 非分页池初始化) │ └───────────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ pfnlist.c — 底层物理页分配 │ │ (MiRemoveAnyPage / MiRemoveZeroPage / MiInsertPageInList) │ └───────────────────────────────────────────────────────────┘ Section 映射路径： NtCreateSection / NtMapViewOfSection │ ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ section.c — Section 对象管理 │ │ (控制区/段创建、视图映射、原型 PTE 管理、系统空间映射) │ └───┬───────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ │ ▼ ▼ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ vadnode.c │ │ virtual.c │ │ VAD 插入 │ │ PTE 填充 │ └──────────────┘ └──────────────┘ 系统镜像加载路径： MmLoadSystemImage │ ▼ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │ sysldr.c — 系统加载器 │ │ (PE 解析、导入表解析、Thunk 修正、安全 Cookie、可分页性) │ └───┬───────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ │ ▼ ▼ ┌──────────────┐ ┌──────────────────┐ │ section.c │ │ virtual.c │ │ 创建 Section │ │ 映射镜像视图 │ └──────────────┘ └──────────────────┘

3.3 物理页面生命周期状态机

┌──────────┐ ┌────────→│ Free │←────────┐ │ │ (空闲) │ │ │ └────┬─────┘ │ │ │ 分配 │ 释放 │ ▼ │ │ ┌──────────┐ │ │ │ Active │ │ │ │ (活跃) │ │ │ └────┬─────┘ │ │ │ 被换出 │ │ ▼ │ │ ┌──────────┐ │ │ │ Standby │ │ │ │ (备用) │ │ │ └────┬─────┘ │ │ │ 清零 │ │ ▼ │ │ ┌──────────┐ │ │ │ Zeroed │─────────┘ │ │ (已清零) │ │ └──────────┘ │ │ Active → Modified（页面被修改） │ Modified → Standby（修改写入交换文件后） │ Active → Transition（PFN 被其他进程共享但又暂时释放） │ Transition → Active（再次被引用时） │ └── 可用页面总数 = Free + Zeroed + Standby

4. 文件大小与关键统计

5. 关键设计决策

5.1 ARM3 vs 旧版 MM

• ARM3：对齐 Windows NT 架构，支持 x86-64、PAE、大页面、AWE 等特性。代码更结构化，复用 Windows 的命名和接口约定。
• 旧版 MM：ReactOS 原始实现，部分功能（freelist.c、balance.c、pagefile.c）仍被 ARM3 调用。
• 过渡策略：ARM3 逐步覆盖旧版功能。目前 ARM3 提供虚拟内存核心（virtual.c）、池分配器（expool.c）、缺页处理（pagfault.c）、Section（section.c）等主要功能，而旧版的marea.c、region.c、rmap.c等已有 ARM3 对应版本。

5.2 x86 页表自映射技巧

i386 架构下，ARM3 利用页目录的最后一项指向页目录自身，实现页表的虚拟可寻址性：

PD[1023] → PD 自身物理地址（虚拟地址 PTE_BASE 处可访问页表） PD[1022] → 超空间 PDE（用于临时映射物理页） PD[0..1019] → 进程页表项

这种设计使得内核可以通过PTE_BASE + (index * sizeof(PTE))直接访问任意 PTE，无需切换页目录。

5.3 PFN 数据库的物理页账本

每个物理页对应一个MMPFN条目（~24 字节），包含：

• 引用计数、共享计数
• PTE 指针（指向映射到此页的 PTE）
• 页面列表状态（Free/Standby/Modified/Zeroed/Bad/Transition）
• 颜色索引（Cache Color）
• 原始访问位和修改位备份

PFN 数据库本身位于非分页池中，由MmArmInitSystem在 Phase0 构建。

6. 与 Windows NT 的差异