mm学习笔记_03：物理页管理与PFN数据库

基于 ReactOS ARM3 MM 源码（ntoskrnl/mm/ARM3/pfnlist.c + ntoskrnl/mm/freelist.c）

1. pfnlist.c 概述

文件位置：d:\reactos\ntoskrnl\mm\ARM3\pfnlist.c

职责：管理物理页面的 PFN（Page Frame Number）数据库操作，包括页面在空闲/已清零/备用/已修改等列表间的移动、按缓存颜色分配、引用计数/共享计数管理、页面清零等。

核心数据结构——MMPFN条目（每个物理页一个）：

typedefstruct_MMPFN{struct{PFN_NUMBER Flink;// 链表前向指针PFN_NUMBER WsIndex;// 工作集索引PVOID Event;// 等待事件PVOID ReadStatus;// 读取状态}u1;struct{PFN_NUMBER Blink;// 链表后向指针SHORT ShareCount;// 共享计数}u2;struct{struct{...}e1;// PageLocation, CacheAttribute, Rom 等标志struct{...}e2;// ReferenceCount, ShortFlags}u3;union{...}u4;// PteFrame, Priority 等PMMPTE PteAddress;// 指向映射到此页的 PTEMMPTE OriginalPte;// 原始 PTE 备份}MMPFN;

2. 物理页8种状态及状态转换图

在miarm.h中定义：

typedefenum_MMLISTS{ZeroedPageList=0,// 已清零页面（可直接使用）FreePageList=1,// 空闲页面（内容未知）StandbyPageList=2,// 备用页面（内容有效但无引用，可直接回收）ModifiedPageList=3,// 已修改页面（需写回磁盘后才可回收）ModifiedNoWritePageList=4,// 已修改但不写回（如临时页）BadPageList=5,// 坏页（硬件故障）ActiveAndValid=6,// 活跃有效（正在使用）TransitionPage=7// 转换中（介于有效与无效之间）}MMLISTS;

状态转换图

┌──────────────┐ │ ZeroedPage │◄──────── 零页线程清零 │ (已清零空闲) │ └──────┬───────┘ │ MiRemoveZeroPage() ▼ ┌──────────────┐ ┌─────►│ ActiveAndValid │◄──── MiResolveDemandZeroFault │ │ (活跃有效) │◄──── MiResolvePageFileFault │ └───────┬───────┘◄──── MiResolveTransitionFault │ │ │ │ 页面被替换/释放 │ ▼ │ ┌──────────────┐ │ │ TransitionPage│──► 如果共享计数为0，进入对应列表 │ │ (转换中) │ │ └──────┬───────┘ │ │ │ ┌───────┴────────┬──────────┐ │ ▼ ▼ ▼ │ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ │StandbyPage│ │ModifiedPage│ │ModNoWrite│ │ │ (备用) │ │ (已修改) │ │ (不改写) │ │ └─────┬────┘ └─────┬────┘ └──────────┘ │ │ │ │ │ 写回磁盘 │ │ ▼ │ │ ┌──────────┐ │ │ │ Zeroed │◄─────┘ │ │ 零页 │ │ └────┬─────┘ │ │ 清零 │ ▼ │ ┌──────────┐ └──│ FreePage │ │ (空闲) │ └──────────┘

关键规律：

• 可用页面总和= Free + Zeroed + Standby（即MmAvailablePages）
• ActiveAndValid的页面引用计数 > 0，共享计数 > 0
• Transition页面保留了物理内容，PTE 被标记为 Transition（位 11 = 1, 位 0 = 0）
• BadPage从系统初始化时标记，永不回收使用

3. 关键函数分析

3.1 MiRemoveAnyPage——优先空闲页

文件：pfnlist.c:477

功能：从物理页列表中取出任意一页，优先取空闲页（FreePageList），其次取已清零页（ZeroedPageList）。

搜索顺序：

1. 先尝试从MmFreePagesByColor[FreePageList][Color].Flink取（按颜色空闲页）
2. 若空，尝试MmFreePagesByColor[ZeroedPageList][Color].Flink（按颜色零页）
3. 若空，尝试MmFreePageListHead.Flink（全局空闲链表）
4. 若空，尝试MmZeroedPageListHead.Flink（全局零页链表）

PFN_NUMBER NTAPIMiRemoveAnyPage(IN ULONG Color){// 1. 先取对应颜色的空闲页PageIndex=MmFreePagesByColor[FreePageList][Color].Flink;if(PageIndex==LIST_HEAD){// 2. 取对应颜色的零页PageIndex=MmFreePagesByColor[ZeroedPageList][Color].Flink;if(PageIndex==LIST_HEAD){// 3. 取全局空闲链表PageIndex=MmFreePageListHead.Flink;if(PageIndex==LIST_HEAD){// 4. 取全局零页链表PageIndex=MmZeroedPageListHead.Flink;}}}// 从对应颜色列表中移除PageIndex=MiRemovePageByColor(PageIndex,Color);returnPageIndex;}

3.2 MiRemoveZeroPage——优先零页

文件：pfnlist.c:537

功能：优先取已清零页，仅在零页为空时回退取空闲页并手动清零。

PFN_NUMBER NTAPIMiRemoveZeroPage(IN ULONG Color){BOOLEAN Zero=FALSE;// 1. 取颜色零页PageIndex=MmFreePagesByColor[ZeroedPageList][Color].Flink;if(PageIndex==LIST_HEAD){// 2. 取全局零页链表PageIndex=MmZeroedPageListHead.Flink;if(PageIndex==LIST_HEAD){Zero=TRUE;// 需要手动清零// 3. 取颜色空闲页PageIndex=MmFreePagesByColor[FreePageList][Color].Flink;if(PageIndex==LIST_HEAD){// 4. 取全局空闲链表PageIndex=MmFreePageListHead.Flink;}}}PageIndex=MiRemovePageByColor(PageIndex,Color);if(Zero)MiZeroPhysicalPage(PageIndex);// 手动清零returnPageIndex;}

3.3 MiInsertPageInFreeList

文件：pfnlist.c:611

功能：将已释放的物理页插回空闲链表尾部，同时更新颜色列表。当空闲列表达到 8 页时唤醒零页线程MmZeroingPageEvent。

VOID NTAPIMiInsertPageInFreeList(IN PFN_NUMBER PageFrameIndex){// 设置链表指针（插到尾部）LastPage=ListHead->Blink;Pfn1->u1.Flink=LIST_HEAD;Pfn1->u2.Blink=LastPage;// 设置状态Pfn1->u3.e1.PageLocation=FreePageList;Pfn1->u4.Priority=3;// 更新颜色列表Color=PageFrameIndex&MmSecondaryColorMask;ColorTable=&MmFreePagesByColor[FreePageList][Color];// ...插入到颜色链表尾部// 递增可用页计数MiIncrementAvailablePages();// 如果空闲页 >= 8，唤醒零页线程if(ListHead->Total>=8)KeSetEvent(&MmZeroingPageEvent,IO_NO_INCREMENT,FALSE);}

3.4 MiInsertPageInList

文件：pfnlist.c:779

功能：通用页面插入函数，根据ListHead的ListName决定插入策略：

• ZeroedPageList：插入到链表头部（最新清零的页在最前面）
• StandbyPageList：按优先级插入到MmStandbyPageListByPriority[Priority]
• ModifiedPageList：插入到颜色子链表，更新MmTotalPagesForPagingFile
• ModifiedNoWritePageList：尚未实现（ASSERT(FALSE)）

4. 颜色分配算法（Cache Color）

作用：避免 CPU 缓存颠簸（Cache Thrashing），将物理页按其在 CPU 缓存中的位置分组，优先分配相同颜色的页面给同一进程。

核心思想：物理地址的某些低位（MmSecondaryColorMask）决定了该页在 CPU 缓存中的映射位置。当同一进程的连续虚拟页映射到不同颜色的物理页时，可分散缓存压力。

关键宏：

// 获取页面颜色（低 N 位）#defineMI_GET_PAGE_COLOR(x)((x)&MmSecondaryColorMask)// 获取下一个系统颜色（轮转）#defineMI_GET_NEXT_COLOR()(InterlockedIncrement(&MmSystemPageColor)&MmSecondaryColorMask)// 获取下一个进程颜色#defineMI_GET_NEXT_PROCESS_COLOR(p)((p)->NextPageColor&MmSecondaryColorMask)

颜色数据结构：

typedefstruct_MMCOLOR_TABLES{PFN_NUMBER Flink;// 该颜色的第一个页PVOID Blink;// 该颜色的最后一个页ULONG Count;// 该颜色的页数量}MMCOLOR_TABLES;// 对每种列表（Free/Zeroed）和每种颜色都有一个链表头MMCOLOR_TABLES MmFreePagesByColor[2][MmSecondaryColors];

颜色分配流程：

MiResolveDemandZeroFault() → Color = MI_GET_NEXT_PROCESS_COLOR(Process) → MiRemoveZeroPage(Color) // 优先取对应颜色的零页 或 MiRemoveAnyPage(Color) // 优先取对应颜色的空闲页

5. MiInitializePfn 初始化逻辑

文件：pfnlist.c:970

功能：当物理页被分配后，初始化其 PFN 条目。

VOID NTAPIMiInitializePfn(IN PFN_NUMBER PageFrameIndex,IN PMMPTE PointerPte,IN BOOLEAN Modified){Pfn1=MI_PFN_ELEMENT(PageFrameIndex);Pfn1->PteAddress=PointerPte;// 保存映射此页的 PTE 地址if(PointerPte->u.Hard.Valid==1){// 来自 MmCreateProcessAddressSpace：设为 Demand Zero PTEMI_MAKE_SOFTWARE_PTE(&Pfn1->OriginalPte,MM_READWRITE);}else{Pfn1->OriginalPte=*PointerPte;// 保存原始 PTE 内容}Pfn1->u3.e2.ReferenceCount=1;// 初始引用计数 = 1Pfn1->u2.ShareCount=1;// 初始共享计数 = 1Pfn1->u3.e1.PageLocation=ActiveAndValid;// 标记为活跃有效Pfn1->u3.e1.Modified=Modified;// 脏位// 获取页表 PFN，递增其共享计数PointerPtePte=MiAddressToPte(PointerPte);PageFrameIndex=PFN_FROM_PTE(PointerPtePte);Pfn1->u4.PteFrame=PageFrameIndex;MI_PFN_ELEMENT(PageFrameIndex)->u2.ShareCount++;}

6. 引用计数管理

6.1 MiDecrementShareCount

文件：pfnlist.c:1141

功能：递减 PFN 的共享计数（ShareCount）。当共享计数降至 0 时：

1. 若为原型 PTE，将原型 PTE 标记为 Transition
2. 将页面状态设为TransitionPage
3. 若引用计数为 1（最后一引用），检查MI_IS_PFN_DELETED：
   • 已标记删除 → 直接插入空闲链表
   • 未标记删除 → 调用MiDecrementReferenceCount

VOID NTAPIMiDecrementShareCount(IN PMMPFN Pfn1,IN PFN_NUMBER PageFrameIndex){ASSERT(Pfn1->u2.ShareCount>0);if(!--Pfn1->u2.ShareCount){// ShareCount 降为 0if(Pfn1->u3.e1.PrototypePte){// 将原型 PTE 标记为 TransitionTempPte.u.Soft.Transition=1;MI_WRITE_INVALID_PTE(PointerPte,TempPte);}Pfn1->u3.e1.PageLocation=TransitionPage;if(Pfn1->u3.e2.ReferenceCount==1){if(MI_IS_PFN_DELETED(Pfn1)){MiInsertPageInFreeList(PageFrameIndex);}else{MiDecrementReferenceCount(Pfn1,PageFrameIndex);}}else{InterlockedDecrement16(&Pfn1->u3.e2.ReferenceCount);}}}

6.2 MiDecrementReferenceCount

文件：pfnlist.c:1236

功能：递减 PFN 的引用计数（ReferenceCount）。当降至 0 时：

1. 检查是否标记删除 → 是则插入空闲链表
2. 否则根据Modified位决定插入修改列表（MmModifiedPageListHead）或备用列表（MmStandbyPageListHead）

VOID NTAPIMiDecrementReferenceCount(IN PMMPFN Pfn1,IN PFN_NUMBER PageFrameIndex){InterlockedDecrement16(&Pfn1->u3.e2.ReferenceCount);if(Pfn1->u3.e2.ReferenceCount)return;// 引用计数为 0if(MI_IS_PFN_DELETED(Pfn1)){MiInsertPageInFreeList(PageFrameIndex);}else{if(Pfn1->u3.e1.Modified==1)MiInsertPageInList(&MmModifiedPageListHead,PageFrameIndex);elseMiInsertStandbyListAtFront(PageFrameIndex);}}

引用计数与共享计数的区别：

7. 全局统计变量（freelist.c）

文件：d:\reactos\ntoskrnl\mm\freelist.c

// PFN 数据库基址——所有 PFN 条目的数组PMMPFN MmPfnDatabase;// 当前可用物理页数（Free + Zeroed + Standby）PFN_NUMBER MmAvailablePages;// 系统启动时可用的物理页数PFN_NUMBER MmResidentAvailablePages;// 总已提交页面数（commit charge）SIZE_T MmTotalCommittedPages;// 各分类的提交计数SIZE_T MmSharedCommit;// 共享内存提交SIZE_T MmDriverCommit;// 驱动提交SIZE_T MmProcessCommit;// 进程提交SIZE_T MmPagedPoolCommit;// 分页池提交// 峰值提交计数SIZE_T MmPeakCommitment;// 最大提交限制SIZE_T MmtotalCommitLimitMaximum;

MiIncrementAvailablePages/MiDecrementAvailablePages（pfnlist.c:69-118）：

维护MmAvailablePages的增减，同时检查低/高内存阈值：

• 当MmAvailablePages == MmLowMemoryThreshold→ 触发低内存事件
• 当MmAvailablePages == MmHighMemoryThreshold→ 触发高内存事件
• 当MmAvailablePages < MmMinimumFreePages→ 调用MmRebalanceMemoryConsumers()回收内存

8. LRU 用户页管理（旧版 MM）

文件：d:\reactos\ntoskrnl\mm\freelist.c

旧版 MM 通过双向链表维护用户物理页的 LRU（Least Recently Used）顺序：

PMMPFN FirstUserLRUPfn;// LRU 链表头（最早使用）PMMPFN LastUserLRUPfn;// LRU 链表尾（最近使用）

PFN 条目中的 LRU 指针：

Pfn->PreviousLRU// 前一个用户页Pfn->NextLRU// 下一个用户页

关键函数：

• MmGetLRUFirstUserPage()— 取 LRU 链表第一页并引用
• MmGetLRUNextUserPage(PreviousPage, MoveToLast)— 取下一页，若MoveToLast为真则将当前页移到链表尾部（避免频繁换出早期映射的 DLL 如 ntdll）
• MmInsertLRULastUserPage()— 将页插入 LRU 链表尾部
• MmRemoveLRUUserPage()— 从 LRU 链表中移除

用途：内存平衡器（balance.c）通过 LRU 链表遍历用户页面，选择换出候选页。

附录：Pfnlist.c 函数一览