本文檔介紹了 Windows 7 和 Server 2008 R2 X64 版本上內核虛擬地址空間的詳細信息。調試器擴展命令!CMKD.kvas應用這一理論來顯示 X64 虛擬地址空間並將給定地址映射到其中一個地址範圍。
內核虛擬地址佈局
X64 CPU 僅支持 CPU 上運行的軟件使用的 64 位虛擬地址中的 48 位。對於用戶模式地址，虛擬地址的高 16 位始終設置爲 0x0；對於內核模式地址，虛擬地址的高 16 位始終設置爲 0xF。這有效地將 X64 地址空間劃分爲用戶模式地址範圍 0x00000000`00000000 - 0x0000FFFF`FFFFFFFF 和內核模式地址範圍 0xFFFF0000`00000000 - 0xFFFFFFFF`FFFFFFFF。此內核虛擬地址範圍總計爲 Windows 可訪問的總內核虛擬地址空間 256TB。Windows 靜態地將虛擬地址空間劃分爲多個固定大小的 VA 區域，每個區域分配特定的用途。每個區域的開始和結束大部分是靜態的，如下表所示。
| 開始 | 結尾 | 尺寸 | 描述 |
| FFFF0800`00000000 | FFFFF67F`FFFFFFFF | 238TB | 未使用的系統空間 |
| FFFFF680`00000000 | FFFFF6FF`FFFFFFFF | 512GB | PTE空間 |
| FFFFF700`00000000 | FFFFF77F`FFFFFFFF | 512GB | 超空間 |
| FFFFF780`00000000 | FFFFF780`00000FFF | 4K | 共享系統頁面 |
| FFFFF780`00001000 | FFFFF7FF`FFFFFFFF | 512GB-4K | 系統緩存工作集 |
| FFFFF800`00000000 | FFFFF87F`FFFFFFFF | 512GB | 初始加載器映射 |
| FFFFF880`00000000 | FFFFF89F`FFFFFFFF | 128GB | 系統 PTE |
| FFFFF8a0`00000000 | FFFFF8bF`FFFFFFFF | 128GB | 分頁池區 |
| FFFFF900`00000000 | FFFFF97F`FFFFFFFF | 512GB | 會議空間 |
| FFFFF980`00000000 | FFFFF70`FFFFFFFF | 1TB | 動態內核VA空間 |
| FFFFFa80`00000000 | *nt!MmNonPagedPoolStart-1 | 最大 6TB | PFN數據庫 |
| *nt!MmNonPagedPoolStart | *nt!MmNonPagedPoolEnd | 最大 512GB | 非分頁池 |
| FFFFFFFF`FFc00000 | FFFFFFFF`FFFFFFFF | 4MB | HAL 和加載器映射 |
Windows 使用某些數據結構，例如推鎖、Ex 快速引用指針和互鎖 SList，這些數據結構需要 CPU 指令能夠對虛擬地址中位數兩倍的數字執行原子操作。因此在虛擬地址爲64位的X64 CPU上，需要128位原子CMPXCHG指令。早期版本的 X64 CPU 沒有這樣的指令，在實現上述數據結構時造成了障礙。X64 CPU 已經將虛擬地址中的可用位數限制爲 48 位，Windows 對虛擬地址進行了進一步限制，將其減少爲 44 位。因此，可以存儲此類結構的虛擬地址範圍被限制爲 2^44，即 X64 虛擬地址空間的上限 8TB，即 0xFFFFF80000000000 - 0xFFFFFFFFFFFFFFFF。因此，“未使用的系統空間”、“PTE 空間”、“超空間”和“系統緩存工作集”等超出 44 位範圍限制的虛擬地址區域無法存儲這些數據結構。此限制也擴展到用戶模式，有效地將 Windows 在用戶模式下使用的虛擬地址量限制爲 8TB，即 0x00000000`00000000 - 0x000007FF`FFFFFFFF，在內核模式下使用 8TB，即 0xFFFFF000`00000000 - 0xFFFFFFFF`FFFFFFFF。請注意，Windows 使用此範圍之外的內核虛擬地址區域，即 FFFF0800`00000000 - FFFFF7FF`FFFFFFFF，但不用於如上所述的通用分配和數據結構存儲。
X64 CPU 上的頁面大小爲 4K。CPU 使用頁表條目 (PTE) 將虛擬頁映射到物理頁，每個 PTE 映射一個 4K 頁面。在 X64 CPU 上，PTE 的大小爲 64 位（8 字節），以便能夠容納較大的物理地址或頁幀號 (PFN)。因此單個頁表頁（4K）只能容納 512 個 PTE。存儲在這樣一個頁面中的所有 PTE 映射 2MB (512*4K) 的虛擬地址空間。此外，由於頁目錄條目 (PDE) 指向頁表頁面，因此單個 PDE 條目映射 2MB 的虛擬地址空間。此 2MB 地址範圍是上表中列出的大多數虛擬地址區域內的分配粒度。這些區域中的大多數都有與其關聯的分配位圖，用於在這些區域內以 2MB 塊的倍數執行內存分配。此任務由內存管理器內部函數 MiObtainSystemVa() 執行，該函數採用枚舉類型 nt!_MI_SYSTEM_VA_TYPE 定義的值作爲從中分配內存的區域標識符。
內核虛擬地址組件
以下部分描述了內核虛擬地址空間中的每個虛擬地址區域。
未使用的系統空間
起始地址位於 nt!MmSystemRangeStart 中。此空間在 Windows 7 X64 上未使用。
PTE空間
該區域包含用於用戶模式和內核模式虛擬地址空間映射的X64 4級頁表頁面。各種類型的 X64 頁表頁都映射在此範圍內的以下指定地址處：
PTE頁面FFFFF680`00000000
偏微分方程頁 FFFFF6FB`40000000
個人防護裝備頁 FFFFF6FB`7DA00000
PXE 頁面 FFFFF6FB`7DBED000
超空間
流程工作集列表條目映射到此處。對於每個進程，EPROCESS.Vm.VmWorkingSetList 包含映射到該區域的地址 0xFFFFF700`01080000。該區域包含 MMWSL（內存管理器工作集列表）結構和一組 MMWSLE（內存管理器工作集列表條目）結構，每個結構對應進程工作集中的每一頁。請注意，函數 MiMapPageInHyperSpaceWorker() 應該將物理頁映射到 HyperSpace VA，即實際上將它們映射到系統 PTE 區域而不是此（HyperSpace）區域。
共享系統頁面
此 4K 頁面由 UVAS 和 KVAS 共享。它是在用戶模式和內核模式之間傳遞信息的快速方法。共享數據結構是nt!_KUSER_SHARED_DATA。
系統緩存工作集
系統緩存 VA 的工作集和工作集列表條目。
內核變量nt!MmSystemCacheWs指向系統緩存的工作集數據結構（即nt!_MMSUPPORT）。要顯示系統緩存的工作集列表條目，請使用命令“!wsle 1 @@(((nt!_MMSUPPORT *) @@(nt!MmSystemCacheWs))->VmWorkingSetList)”。工作集修剪器使用這些條目從系統緩存虛擬地址中修剪物理頁。
初始加載器映射
NTOSKRNL、HAL 和內核調試器 DLL（KDCOM、KD1394、KDUSB）在此區域加載。該區域還包括空閒線程的堆棧、DPC 堆棧、KPCR 和空閒線程結構。
分頁池區
最後一個分頁池地址位於變量 nt!MmPagedPoolEnd 中。分頁池的大小以 nt!MmSizeOfPagedPoolInBytes 爲單位。當使用 MiVaPagedPool 調用時，MiObtainSystemVa() 從此區域進行分配。分頁池的分配由位圖 nt!MiPagedPoolVaBitMap 控制，分配提示存儲在 nt!MiPagedPoolVaBitMapHint 中。
PFN數據庫
PFN 數據對於系統中的每個物理頁都有一個條目 (nt!MmHighestPossiblePhysicalPage +1) 以及用於容納熱插拔內存的 PFN 條目。要查找 PFN 數據庫的大小，表達式 '? poi(nt!MmNonPagedPoolStart) - poi(nt!MmPfnDatabase)' 可以在調試器中使用。要查找 PFN 數據庫中的條目總數，可以使用表達式“?(poi(nt!MmNonPagedPoolStart) - poi(nt!MmPfnDatabase))/ @@(sizeof(nt!_MMPFN))”。nt!MmPfnDatabase 定義該區域的開始。
非分頁池
非分頁池區域在 PFN 數據庫之後立即啓動。非分頁池的開始存儲在 nt!MmNonPagedPoolStart 中。當使用 MiVaNonPagedPool 調用時，MiObtainSystemVa() 從此區域進行分配。該區域中的分配由 nt!MiNonPagePoolVaBitmap 控制，分配提示存儲在 nt!MiNonPagedPoolVaBitMapHint 中。
HAL 和加載器映射
內核全局nt!MiLowHalVa包含該範圍的起始地址，即0xFFFFFFFFFFC00000。VA 範圍結束於 X64 內核虛擬地址空間的末尾（0xFFFFFFFFFFFFFFFF）。
該區域僅在系統啓動期間使用，即在函數 MmInitSystem() 內使用。初始化階段後，系統無法使用此地址範圍內的內存。
在系統初始化結束時，MmInitSystem() 調用函數 MiAddHalIoMappings()，該函數掃描此 VA 範圍並確定是否有任何 I/O 映射必須添加到系統維護的 I/O 映射列表中，如果有的話，調用 MiInsertIoSpaceMap()。對於每個 I/O 映射，MiInsertIoSpaceMap() 創建一個帶有池標記 MmIo“IO 空間映射跟蹤器”的跟蹤器條目，並將該條目添加到頭位於 nt!MmIoHeader 的雙鏈表中。每個這樣的條目代表一個已映射到 SysPTE 區域的物理內存塊。這些跟蹤器條目的前幾個字段包含一些有趣的信息，描述物理內存及其 VA 映射。MmMapIoSpace 還調用函數 MiInsertIoSpaceMap() 來跟蹤系統中的所有適配器內存映射。
結構_IO_SPACE_MAPPING_TRACKER {
LIST_ENTRY 鏈接；
物理地址 Pfn；
烏龍龍頁面；
PVOID Va；
。。。
}會議空間
會話數據結構、會話池和會話圖像加載在此區域中。
會話映像空間包含驅動程序映像，例如 Win32K.sys（窗口管理器）、CDD.DLL（規範顯示驅動程序）、TSDDD.dll（幀緩衝區顯示驅動程序）、DXG.sys（DirectX 圖形驅動程序）等。
對於屬於會話的任何進程，字段 EPROCESS->Session 指向該會話的 MM_SESSION_SPACE 結構。會話分頁池限制由 MM_SESSION_SPACE->PagesPoolStart 和 MM_SESSION_SPACE->PagesPoolEnd 指向。
系統 PTE
該區域包含映射視圖、MDL、適配器內存映射、驅動程序映像和內核堆棧。該區域由位圖 nt!MiSystemPteBitmap 描述，分配提示存儲在 nt!MiSystemPteBitMapHint 中。當用 MiVaSystemPtes 調用時，MiObtainSystemVa() 從此區域分配。
動態內核VA空間
該區域由系統緩存視圖、分頁特殊池和非分頁特殊池組成。nt!MiSystemAvailableVa 包含動態內核 VA 空間中可用的 2MB 區域的數量。當使用 MiVaSystemCache、MiVaSpecialPoolPaged 和 MiVaSpecialPoolNonPaged 調用時，MiObtainSystemVa() 從此區域進行分配。該區域由位圖 MiSystemVaBitmap 描述，分配提示存儲在 nt!MiSystemVaBitMapHint 中。
內核虛擬地址空間分配
內存管理器函數 MiObtainSystemVa() 用於從各個內核 VA 區域以 2MB 的倍數動態分配內存。當調用 MiObtainSystemVa() 時，調用者指定要分配的 PDE 條目數和要分配的系統 VA 類型（即 nt!_MI_SYSTEM_VA_TYPE 中的值之一）。可通過此函數分配的有效 VA 類型爲 MiVaPagedPool、MiVaNonPagedPool、MiVaSystemPtes。MiVaSystemCache、MiVaSpecialPoolPaged、MiVaSpecialPoolNonPaged。
MiObtainSystemVa()滿足來自不同內核VA區域的VA分配請求。例如，對 MiVaPagedPool 的請求定向到分頁池區域，MiVaNonPagedPool 定向到非分頁池區域，MiVaSystemPtes 定向到系統 PTE 區域，所有其他分配都定向到動態系統 VA 區域。
MiReturnSystemVa() 釋放 MiObtainSystemVa() 分配的內存。函數 MiInitializeDynamicBitmap() 初始化 MiObtainSystemVa() 和 MiReturnSystemVa() 使用的所有位圖來分配和釋放內核 VA。
動態內存分配的一個示例是 MiExpandSystemCache() 調用 MiObtainSystemVa() 來獲取系統緩存視圖。MiExpandSystemCache() 調用 MiObtainSystemVa(MiVaSystemCache) 來分配緩存管理器 VACB（虛擬地址控制塊）數據結構使用的虛擬地址空間。
系統PTE管理
MiObtainSystemVa() 從 SysPTE 區域分配的內存由 MiReservePtes() 基於分配位圖 nt!MiKernelStackPteInfo 和 nt!MiSystemPteInfo 進行子分配。
將 SysPTE 分配分爲 2 個不同類別的基本原理是爲了防止 VA 碎片。由於內核堆棧（尤其是系統和服務進程線程）是長期分配，而其他分配（例如 MDL 和映射視圖）的分配時間相對較短。
2 個結構體 nt!MiKernelStackPteInfo 和 nt!MiSystemPteInfo 的類型爲 nt!_MI_SYSTEM_PTE_TYPE。這些結構由函數 MiInitializeSystemPtes() 設置。這些結構中的位圖覆蓋了整個 128GB 的 SysPTE 區域。使用這些結構之一調用函數 MiReservePtes() 來從這些區域中分配 VA。隨後使用 MiReleasePtes() 釋放該內存。當 nt!MiKernelStackPteInfo 和 nt!MiSystemPteInfo 覆蓋的 VA 範圍耗盡時，通過調用 MiExpandPtes() 來擴展 VA 範圍，而 MiExpandPtes() 又調用 MiObtainSystemVa(MiVaSystemPtes)。
MmAllocateMappingAddress() 和 MmCreateKernelStack() 等函數從 nt!MiKernelStackPteInfo 分配 SysPTE VA。
MiValidateIamgePfn() 和 MiCreateImageFileMap()、MiRelocateImagePfn()、MiRelocateImageAgain() 等函數從 nt!MiSystemPteInfo 分配 SysPTE VA。
將 PFN 映射到超空間
HyperSpace VA 實際上是從內核虛擬地址空間的 Sys PTE 區域分配的。MiMapPageInHyperSpaceWorker() 將 PFN 映射到內核 VA 並返回分配給該映射的 VA。MiZeroPhysicalPage()、MiWaitForInPageComplete()、MiCopyHeaderIfResident()、MiRestoreTransitionPte()等函數調用MiMapPageInHyperSpaceWorker()來臨時獲取映射到物理地址的VA。