物理内存是相对比较紧张的资源，合理利用将是一个操作系统的性能的关键。Windows 2000/XP内部使用一个称为页框数据库(Page Frame Database)的结构用于描述物理内存的状态。本文将从这一结构入手详述Windows物理内存的组织与管理。
Windows将物理内存按PAGE_SIZE(在x86上，为0x1000字节，即4K)为单位，将其划分，每一单元在页框数据库中均有一项描述其状态及用途等。页框数据库实际上是由这些描述每一页情况结构的数组。页框数据库由内核变量MmPfnDatabase指定，而数据库中的项数则由MmNumberOfPhysicalPages指定，项数索引叫Page Frame Number(PFN)来表示。MmNumberOfPhysicalPages通常略低于系统实际拥有的物理内存页数，系统在初始化阶段保留部分页面让操作系统本身使用。需要指出的是页框数据库只描述狭义上的物理内存，不包含其他映射的物理设备的内存。
Windbg的!pfn命令用于对任一页内存的状态及用途等进行分析，如下所示：
kd> dd MmPfnDatabase l 1
80547438 80c00000
kd> !pfn 143
PFN 00000143 at address 80C01E48
flink 00000500 blink / share count 00000001 pteaddress E1085174
reference count 0001 Cached color 0
restore pte 00B5AC24 containing page 0096D8 Active P
Shared
《Inside Windows 2000》中将PFN的各个字段解释的已经非常清楚了。这里我只是简要进行说明：
flink与blink用于将特定状态的页面连成一个链表，系统中内核变量MmZeroedPageListHead、MmFreePageListHead、MmStandbyPageListHead、MmModifiedPageListHead、MmModifiedNoWritePageListHead、MmBadPageListHead用于指示这些状态的页面的链表头。从这些变量名很容易明白各链表的页面状态，在Windows中页框数据库中共有8个状态，另两个为：Active与Transition状态。这8个状态由pfn的type(offset:0xd,size:byte)字段中的前3bit指示。
pteaddress是指向这一页面的pte地址。经过分析，主要有如下三种情况：
a. pteaddress为0或0xffffffff，根据pfn指示的状态，可识别是ZeroedPage或是FreePage。
b. pteaddress为0xC*******，表明这一页面当前有系统或某一进程独占，并且在进程或系统工作集中。
c. pteaddress为0xE*******，说明这是一个prototype pte，也就是说这个页面是共享的。详细请参阅我的《探究Windows 2000/XP原型PTE》。
restore pte，在《Inside Windows 2000》中称为original pte。其作用是指示这一页面的back-store位置，即数据在磁盘中某一pagefile或是mapped file中的位置。譬如在上面提及的情况c中，其一般是指向mapped file的某一subsection，所以在内部其称为Subsection PTE，由MMPTE_SUBSECTION结构定义。而另外一种情况其可能是一个指向pagefile的pte，由MMPTE_SOFTWARE结构定义。这一点，上次我提及时存在错误。MMPTE_SUBSECTION的具体bit定义如下：
Valid : Pos 0, 1 Bit
SubsectionAddressLow : Pos 1, 4 Bits
Protection : Pos 5, 5 Bits
Prototype : Pos 10, 1 Bit
SubsectionAddressHigh : Pos 11, 20 Bits
WhichPool : Pos 31, 1 Bit
最高位WhichPool是指示这个Subsection位于哪个pool中(NonPagedPool或是PagedPool中)，Valid为0，指示这不是一个x86硬件可以识别的pte，由MiDispatchFault分析。由Subsection pte转换成Subsection地址的算法我在底下提供的代码中给出了。
这一描述基本阐述了Subsection PTE的作用，用于定位由PFN所指定的页面位于相应的Mapped File的位置。为了更好的解释好这一过程，《Inside Windows 2000》中使用了一个框图来解释内存管理器内部的这几个千丝万缕的联系，但各个数据结构，如PFN，SEGMENT等等介绍的不够详尽，并且之间的转换算法均没有提及。下图是我根据Windows XP Professional Build 2600的情况，重新制作的一幅图.
Windbg提供了一个!memusage命令通过分析subsectin pte得到系统中各个mapped file的使用内存情况，底下的代码，只是详细的列出了某些页面由哪些mapped file使用，并没有像!memusage有详细的统计功能，不过通过这一代码与我先前提供的文章，也能基本上明白上面这幅图之间复杂关系。
1 /*
2 For test purpose,I define the below constant,but no say
3 MmSubsectionBase and MmNonPagedPoolEnd are fixed in
4 Windows 2000 and Windows XP. They are initialized on system
5 boot phase by ntoskrnl and rely on the system physical memory size etc.
6 */
7 #define WIN2000_2195
8 #ifdef WINXP_2600
9 #define MmSubsectionBase 0x80d21000
10 #define MmNonPagedPoolEnd 0xffbe0000
11 #endif
12 #ifdef WIN2000_2195
13 #define MmSubsectionBase 0x0
14 #define MmNonPagedPoolEnd 0xffb7f000
15 #endif
16
17 #define MmPfnDatabase 0xffb7f000 //Please redefine it on your machine.
18 #define MmNumberOfPhysicalPages 0x3f7d //Please redefine it on your machine.
19
20 /*
21 Portion of nt!MiGetSubsectionAndProtoFromPte
22 Get Subsection from restore pte(original pte) at PFN Database Entry
23 disasm by WebCrazy([email protected]) athttp://webcrazy.yeah.net
24 Thanks to wuzq([email protected]) for light!
25 */
26
27 unsigned int MiGetSubsectionAndProtoFromPte(int pte)
28 {
29 unsigned int subaddr;
30 if(pte < 0){
31 subaddr = MmSubsectionBase+(((pte & 0x1e) <<2) | ((pte>>4) & 0x7ffff80)) ;
32 }else{
33 subaddr = MmNonPagedPoolEnd-(((pte & 0x1e) <<2) | ((pte>>4) & 0xfffff80)) ;
34 }
35 return subaddr;
36 }
37
38 /*
39 I release memusage() to dump Control Area.
40 Only mapped file control area were dump.
41 Please see windbg !memusage command.
42 */
43
44
45 void memusage()
46 {
47 unsigned int *pfndatabase = MmPfnDatabase;
48 unsigned int numberphys = MmNumberOfPhysicalPages;
49
50 unsigned int restorepte,pfn=0,ppte,subsection;
51
52 unsigned char flag=0;
53 static unsigned int flagnum[8];
54 static char *flagdesc[8]=
55 {"Zeroed","Free","Standby","Modified","ModNoWrt","Bad","Active","Trans"};
56 memset(flagnum,0,sizeof(flagnum));
57
58 for(;pfn<numberphys;pfn++){
59 flag = *(char *)((char *)pfndatabase+0xd);
60 flag &= 0x07;
61 flagnum[flag]++;
62 pfndatabase+=0x18/0x04;
63 }
64
65 DbgPrint("\nMemUsage:\n");
66 for(flag=0;flag<8;flag++)
67 DbgPrint("%10s:%04d(%08dK)\n",flagdesc[flag],flagnum[flag],flagnum[flag]*4);
68
69
70 pfndatabase = MmPfnDatabase;
71 for(pfn=0;pfn<numberphys;pfn++){
72 ppte=*((unsigned int *)(pfndatabase+0x1));
73 restorepte=*((unsigned int *)(pfndatabase+0x4));
74 flag = *(char *)((char *)pfndatabase+0xd);
75 flag &= 0x07;
76
77 if(ppte>=0xE1000000&&ppte<0xF0000000){
78 subsection=MiGetSubsectionAndProtoFromPte(restorepte);
79 DbgPrint("pfn:%04X,ppte:%08X,restorepte:%08X,subsection:%08X,ca:%08X,
80 flag:%10s\n",pfn,ppte,restorepte,subsection,
81 MmIsAddressValid((void *)subsection)?*(unsigned int *)subsection:
82 0x11111111,flagdesc[flag]);
83 }
84 pfndatabase+=0x18/0x04;
85 }
86 }