Windows内存管理API的体系结构

首先上两张图，分别阐述：

1.WindowsAPI与CRT（C运行时）及C++标准库的关系

2.Windows内存管理API的体系结构

图1：WindowsAPI、CRT及标准C++库之间的关系（转自：http://www.codeproject.com/Articles/22642/What-Every-Computer-Programmer-Should-Know-About-W. 此篇文章值得仔细阅读.）

图2：Windows内存管理API体系结构（转自：http://www.cppblog.com/woaidongmao/archive/2011/08/12/153184.html）

---

转自：http://www.cppblog.com/woaidongmao/archive/2011/08/12/153184.html

1. Windows平台下主要的内存管理途径

申请	释放
new	delete
malloc	free
CoTaskMemAlloc	CoTaskMemFree
IMalloc:alloc	IMalloc/free
GlobalAlloc	GlobalFree
LocalAlloc	LocalFree
HeapAlloc	HeapFree
VirtualAlloc	VirtualFree

２. 调用关系

第一层：Win32 API作为系统的接口，提供了一组操作虚拟内存的接口；

第二层：Heap作为虚拟内存的一部分，Win32 API又提供了一组操作Heap内存的接口，但是这些接口是建立在操作虚拟内存

的接口的基础上。

第三层：Windows平台下的C Run-Time Library 又利用Heap API来实现malloc和free。

由此我们可以看出，这些动态内存操作方式之间存有单一的层次关系，位于这个层次的最低层的是Virtual Memory API，可以

说这些方式都是建立在Virtual Memory API的基础上。

调用关系如下表所示为 : new -> malloc -> HeapAlloc -> VirtualAlloc -> 驱动程序的_PageAlloc.

调用者	被调用者
msvcrt.malloc	kernel32.HeapAlloc(ntdll.RtlAllocateHeap)
kernel32.LocalAlloc	ntdll.RtlAllocateHeap
kernel32.GlobalAlloc	ntdll.RtAllocateHeap
kernel32.HeapAlloc	ntdll.RtAllocateHeap(映射)
kernel32.VirtualAlloc	kernel32.VirtualAllocEx
kernel32.VirtualAllocEx	ntdll.NtAllocateVirtualMemory
ntdll.RtlAllocateHeap	ntdll.NtAllocateVirtualMemory
ntdll.NtAllocateVirtualMemory	ntdll.KiFastSystemCall
ntdll.KiFastSystemCall	sysenter指令（0x0F34）

3. 方法解析

3.1 Virtual Memory API

作为Windows系统提供的最"核心"的对虚拟内存操作的接口，也作为其他几种方式的基础，Virtual Memory API应该在几种

方式中是最通用，也是功能最强大的一种方式。在Windows里内存管理是分为两部份，全局内存是系统管理的内存，因而是所

有进程都可以访问的内存，而每一个进程又有自己的内存空间，这就是虚拟内存空间了，而虚拟内存的空间比较大，当物理内

存不足时，系统会把虚拟内存的数据保存到硬盘里，这样只要硬盘的空间足够大，每个进程就可以使用3G的内存。虚拟内存分

配可以作为程序里分配内存的主要方式，比如大量的数据缓冲区，动态分配内存的空间。使用VirtualAlloc函数来分配内存的速

度要比全局内存要快。

1: LPVOID WINAPI VirtualAlloc( __in_opt LPVOID lpAddress,  __in SIZE_T dwSize,  __in DWORD flAllocationType, __in DWORD flProtect );

lpAddress是指定内存开始的地址。

dwSize是分配内存的大小。

flAllocationType是分配内存的类型。

flProtect是访问这块分配内存的权限。

void MemVirtual(void) {
//分配新内存大小。
 UINT nNewSize = (UINT) ceil(1500 / 1024.0) * 1024;
 PBYTE pNewBuffer = (PBYTE) VirtualAlloc(NULL,nNewSize,MEM_COMMIT,PAGE_READWRITE);
 if (pNewBuffer){
 //测试虚拟内存。
 ZeroMemory(pNewBuffer,1500);
 memcpy(pNewBuffer,_T("分配虚拟内存成功\r\n"),sizeof(_T("分配虚拟内存成功\r\n")));
 OutputDebugString((LPWSTR)pNewBuffer);
 //释放分配的内存，第三个参数一定是MEM_RELEASE
 VirtualFree(pNewBuffer,0,MEM_RELEASE);
 }
 }

3.2 Heap Memory API

在进程私有的内存空间里分配里，有两种分配情况，一种是基于栈式的内存分配，另一种是基于堆内存的分配。使用堆内存分

配是使用HeapAlloc函数来实现的，也就是实现new操作符分配内存时会调这个函数。这里的"Heap"指的是进程拥有的一种对

象(Windows中有很多对象，例如WINDOW，ICON，BRUSH)，当我们创建一个Heap对象的时候，我们就可以获得这个对象

的Handle,然后我们就可以使用这个handle来使用动态内存，最后销毁这个对象。

1: LPVOID WINAPI HeapAlloc(__in HANDLE hHeap, __in DWORD dwFlags, __in SIZE_T dwBytes);

hHeap是进程堆内存开始位置。

dwFlags是分配堆内存的标志。

dwBytes是分配堆内存的大小。

void MemHeap(void){
 const int nHeapSize = 1024;
 PBYTE pNewHeap = (PBYTE) ::HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, nHeapSize);
 if (pNewHeap){
 //测试分配堆内存。
 ZeroMemory(pNewHeap,nHeapSize);
 memcpy(pNewHeap,_T("分配堆内存成功\r\n"),sizeof(_T("分配堆内存成功\r\n")));
 OutputDebugString((LPWSTR)pNewHeap);
 //释放内存
 BOOL bRes = ::HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pNewHeap);
 if (bRes != TRUE){
 OutputDebugString(_T("释放内存出错\r\n"));
 }
14: }
15: }

3.3 LocalAlloc/GlobalAlloc

这两个函数是Win16 API中遗留下来的两个函数，Win32 API为了保持兼容性才包含了这两个函数。这两个函数内部是通过

Heap Memory API来操作一个"特殊"的Heap对象：进程的默认堆对象。每一个进程在初始化的时候，都会创建一个默认的

Heap对象，在进程结束的时候销毁这个默认的Heap对象。LocalAlloc和GlobalAlloc的区别仅表现在Win16环境下，在

Win16环境下，内存的地址是通过段:段内偏移量 来获取的，LocalAlloc()只能在同一段内分配内存，而GlobalAlloc可以跨越

段边界访问内存。 在Win32环境下内存访问不存在这样的限制，所以他们表现出相同的功能。由于Heap Memory API完全可

以实现他们两个的功能，所以在Win32下不推荐使用这两个函数。

在Windows系统里，有一项功能非常实用，就是剪贴板功能，它能够从一个程序里与另一个程序进行数据交换的功能，也就是

说两个进程上是可以共享数据。要实现这样的功能，Windows系统在底层上有相应的支持，就是高端地址的内存是系统内存，

这样就可以不同的进程进行共享数据了。因此，调用函数GlobalAlloc来分配系统内存，让不同的进程实现共享数据，也就是剪

贴板功能，可以在一个进程内分配内存，在另一个进程里访问数据后删除内存。

1: HLOCAL WINAPI LocalAlloc(__in UINT uFlags,__in SIZE_T uBytes);

2: HGLOBAL WINAPI GlobalAlloc (__in UINT uFlags, __in SIZE_T dwBytes);

示例代码：

void MemGlobal(void) {
 //分配全局内存。
 BYTE* pGlobal = (BYTE*)::GlobalAlloc(GMEM_FIXED,1024);
 if (!pGlobal) {
 return;
 } else {
 //测试全局内存
 ZeroMemory(pGlobal,1024);
 memcpy(pGlobal,_T("分配内存成功\r\n"),sizeof(_T("分配内存成功\r\n")));
 OutputDebugString((LPWSTR)pGlobal);
 }
 //释放全局内存。
 ::GlobalFree((HGLOBAL)pGlobal);
 }

3.4 malloc/free

这两个函数是使用频率最高的两个函数，由于他们是标准C库中的一部分，所以具有极高的移植性。这里的"移植性"指的是使用

他们的代码可以在不同的平台下编译通过，而不同的平台下的C Run-Time Library的具体实现是平台相关的，在Windows平

台的C Run-Time Library中的malloc()和free()是通过调用Heap Memory API来实现的。值得注意的是C Run-Time

Library拥有独立的Heap对象，我们知道，当一个应用程序初始化的时候，首先被初始化的是C Run-Time Library，然后才

是应用程序的入口函数，而Heap对象就是在C Run-Time Library被初始化的时候被创建的。

对于动态链接的C Run-Time Library,运行库只被初始化一次，而对于静态连接的运行库，每链接一次就初始化一次，所以对

于每个静态链接的运行库都拥有彼此不同的Heap 对象。这样在某种情况下就会出问题，导致程序崩溃。例如一个应用程序调

用了多个DLL,除了一个DLL外，其他的DLL，包括应用程序本身使用动态连接运行库，这样他们就使用同一个Heap对象。而有

一个DLL使用静态连接的运行库，它就拥有一个和其他DLL不同的Heap 对象，当在其他DLL中分配的内存在这个DLL中释放

时，问题就出现了(在http://www.codeproject.com/Articles/22642/What-Every-Computer-Programmer-Should-Know-About-W中提到了静态链接的缺点)。

3.5 关键词new/关键词delete

这两个词是C++内置的关键词(keyword)。当C++编译器看到关键词new的时候，例如：

CMyObject* pObj = new CMyObject;

编译器会执行以下两个任务：

a) 在堆上动态分配必要的内存。这个任务是由编译器提供的一个全局函数void* ::operator new(size_t)来完成的。值得注意

的是任何一个类都可以重载这个全局函数。如果类重载了这个函数的化，被类重载的那个会被调用。

b) 调用CMyObject的构造函数来初始化刚刚生成的对象。当然如果分配的对象是C++中的基本数据类型则不会有构造函数调

用。

如果要深入全局函数void* ::operator new(size_t)的话，我们会发现，它的具体实现是通过调用malloc来分配内存的，而在

windows平台下，malloc最终调用的是HeapAlloc方法。

3.6 CoTaskMemAlloc /IMalloc

CoTaskMemAlloc用于COM对象，它在进程的缺省堆中分配内存。

IMalloc接口是对 CoTaskMemAlloc/CoTaskMemFree 的再次封装。