mm学习笔记_04：VAD树算法与地址空间分配

基于 ReactOS ARM3 MM 源码（ntoskrnl/mm/ARM3/vadnode.c）

1. vadnode.c 概述

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

职责：实现 VAD（Virtual Address Descriptor，虚拟地址描述符）的 AVL 树算法，包括：

VAD 节点的查找、插入、删除
空闲地址范围的搜索（Bottom-Up 和 Top-Down）
基于地址的 Section 管理

核心数据结构 ------MM_AVL_TABLE：

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typedef struct _MM_AVL_TABLE {
    MMADDRESS_NODE BalancedRoot;  // AVL 树根节点（内含右孩子为真正的根）
    ULONG_PTR NumberGenericTableElements; // 树中节点数
    PVOID NodeHint;               // 节点查找优化提示（最近访问的 VAD）
    ULONG DepthOfTree;            // 树深度
    UCHAR Unused;                 // 用于区分用户VAD树和内核内存区域
} MM_AVL_TABLE;

重要：每个进程的 EPROCESS 中包含一个 VadRoot（类型为 MM_AVL_TABLE），即该进程所有 VAD 的 AVL 树。

2. 三种 VAD 结构

2.1 MMVAD_SHORT（32 字节）

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typedef struct _MMVAD_SHORT {
    MMADDRESS_NODE VadNode;       // AVL 树节点（含 StartingVpn, EndingVpn, 左右子指针, 父指针, 平衡因子）
    ULONG_PTR NumberGenericTableElements; // 已映射的页数
    MMVAD_FLAGS VadFlags;         // 16 位标志（PrivateMemory, MemCommit, Protection, VadType 等）
    MMVAD_FLAGS2 VadFlags2;       // 更多标志（LongVad, OneSecured 等）
    PMMADDRESS_NODE* NextVad;     // 未使用
} MMVAD_SHORT;

2.2 MMVAD（36 字节）

在 MMVAD_SHORT 基础上增加：

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typedef struct _MMVAD {
    MMVAD_SHORT Core;
    union {
        PVOID Pointer;
        PVOID ControlArea;        // 控制区指针（Section 映射时使用）
    } u2;
    PMMPTE FirstPrototypePte;     // 第一个原型 PTE
    PMMPTE LastContiguousPte;     // 最后一个连续 PTE
    PVOID DeleteStack;            // 调试用
} MMVAD;

2.3 MMVAD_LONG（44+ 字节）

在 MMVAD 基础上增加：

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typedef struct _MMVAD_LONG {
    MMVAD Core;
    union {
        struct {
            ULONG_PTR StartVpn;   // 安全区域的起始 VPN
            ULONG_PTR EndVpn;     // 安全区域的结束 VPN
        } Secured;
        ULONG_PTR LongFlags;
    } u3;
} MMVAD_LONG;

三者关系：

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MMVAD_SHORT（32B）：基础 VAD，用于普通私有内存
    │
    ▼
MMVAD（36B）：增加 ControlArea 和 FirstPrototypePte，用于 Section 映射
    │
    ▼
MMVAD_LONG（44B+）：增加 Secured 区域，用于 TEB/PEB 等安全 VAD

判断宏：

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// 是否为长 VAD
Vad->u2.VadFlags2.LongVad

3. MiLocateVad------查找算法（hint 优化）

文件：vadnode.c:114

功能：在 VAD AVL 树中查找包含指定虚拟地址的 VAD 节点。

查找流程：

Hint 优化 ：先从 Table->NodeHint 检查，如果目标地址落在 hint VAD 范围内直接返回（O(1) 最速路径）
AVL 树搜索 ：调用 RtlpFindAvlTableNodeOrParent 在 AVL 树中查找
更新 Hint：找到后将结果设为新的 hint，加速后续查找

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PMMVAD NTAPI MiLocateVad(IN PMM_AVL_TABLE Table, IN PVOID VirtualAddress)
{
    // Step 1: 尝试 hint
    FoundVad = (PMMVAD)Table->NodeHint;
    if (FoundVad) {
        Vpn = (ULONG_PTR)VirtualAddress >> PAGE_SHIFT;
        if ((Vpn >= FoundVad->StartingVpn) && (Vpn <= FoundVad->EndingVpn))
            return FoundVad;   // Hint 命中！
    }

    // Step 2: AVL 树搜索
    SearchResult = RtlpFindAvlTableNodeOrParent(Table, (PVOID)Vpn, &FoundVad);
    if (SearchResult != TableFoundNode) return NULL;

    // Step 3: 更新 hint（无锁更新，hint 只读不保证一致性）
    Table->NodeHint = FoundVad;
    return FoundVad;
}

配套函数：

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// 直接在当前进程中查找
PMMVAD NTAPI MiLocateAddress(IN PVOID VirtualAddress)
{
    return MiLocateVad(&PsGetCurrentProcess()->VadRoot, VirtualAddress);
}

MiCheckForConflictingNode （vadnode.c:155）：

遍历 AVL 树检查指定区间 [StartVpn, EndVpn] 是否与现有 VAD 冲突
返回 TableFoundNode（冲突）/ TableInsertAsLeft（插入左侧）/ TableInsertAsRight（插入右侧）

4. MiInsertVad / MiRemoveNode------插入与删除

4.1 MiInsertVad

文件：vadnode.c:222

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VOID NTAPI MiInsertVad(IN PMMVAD Vad, IN PMM_AVL_TABLE VadRoot)
{
    // 1. 设为新的 hint
    VadRoot->NodeHint = Vad;

    // 2. 查找插入位置（确保不冲突）
    Result = RtlpFindAvlTableNodeOrParent(VadRoot, (PVOID)Vad->StartingVpn, &Parent);
    ASSERT(Result != TableFoundNode);  // 不应冲突

    // 3. AVL 树插入
    MiInsertNode(VadRoot, (PVOID)Vad, Parent, Result);
}

4.2 MiInsertVadEx------增强版插入

文件：vadnode.c:245

这是 NtAllocateVirtualMemory 调用的主要插入函数，支持地址自动选择：

流程：

如果 *BaseAddress == 0（未指定基址）：
- 根据 MEM_TOP_DOWN 或 VmTopDown 决定搜索方向
- MiFindEmptyAddressRangeInTree（Bottom-Up）或 MiFindEmptyAddressRangeDownTree（Top-Down）
如果指定了基址：
- 用 MiCheckForConflictingNode 验证地址是否可用
设置 VAD 的 StartingVpn 和 EndingVpn
如果 PrivateMemory && MemCommit 或 !PrivateMemory && PAGE_WRITECOPY，设置 CommitCharge
锁定工作集 → 插入 AVL 树 → 解锁
更新进程的 VirtualSize 和 PeakVirtualSize

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NTSTATUS NTAPI MiInsertVadEx(IN OUT PMMVAD Vad, IN ULONG_PTR *BaseAddress, ...)
{
    ViewSize = ALIGN_UP_BY(ViewSize, PAGE_SIZE);

    KeAcquireGuardedMutex(&CurrentProcess->AddressCreationLock);
    if (CurrentProcess->VmDeleted) return STATUS_PROCESS_IS_TERMINATING;

    if (*BaseAddress == 0) {
        // 选择搜索方向
        if ((AllocationType & MEM_TOP_DOWN) || CurrentProcess->VmTopDown)
            Result = MiFindEmptyAddressRangeDownTree(...);
        else
            Result = MiFindEmptyAddressRangeInTree(...);
        // 检查结果
        if (Result == TableFoundNode || EndingAddress > HighestAddress)
            return STATUS_NO_MEMORY;
    } else {
        // 验证给定地址
        Result = MiCheckForConflictingNode(...);
        if (Result == TableFoundNode) return STATUS_CONFLICTING_ADDRESSES;
    }

    Vad->StartingVpn = StartingAddress >> PAGE_SHIFT;
    Vad->EndingVpn = EndingAddress >> PAGE_SHIFT;

    // 插入 AVL 树
    MiLockProcessWorkingSetUnsafe(CurrentProcess, CurrentThread);
    MiInsertNode(&CurrentProcess->VadRoot, (PVOID)Vad, Parent, Result);
    MiUnlockProcessWorkingSetUnsafe(CurrentProcess, CurrentThread);

    CurrentProcess->VirtualSize += ViewSize;
    KeReleaseGuardedMutex(&CurrentProcess->AddressCreationLock);
    return STATUS_SUCCESS;
}

4.3 MiRemoveNode

文件：vadnode.c:403

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VOID NTAPI MiRemoveNode(IN PMMADDRESS_NODE Node, IN PMM_AVL_TABLE Table)
{
    // 调用 RTL AVL 树删除
    RtlpDeleteAvlTreeNode(Table, Node);
    Table->NumberGenericTableElements--;

    // 如果被删除的节点是 hint，更新 hint
    if (Table->NodeHint == Node) {
        if (!Table->NumberGenericTableElements)
            Table->NodeHint = NULL;
        else
            Table->NodeHint = Table->BalancedRoot.RightChild;
    }
}

5. MiFindEmptyAddressRangeInTree------Bottom-Up 搜索

文件：vadnode.c:494

功能：从低地址向高地址搜索，找到第一个足够大的空闲地址范围。用于 MEM_BOTTOM_UP 分配（默认）。

搜索算法：

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1. 计算起始 VPN (LowVpn)，从 MM_LOWEST_USER_ADDRESS 开始
2. 如果 AVL 树为空，直接返回低位地址
3. 取最左节点（最小地址的 VAD）
4. 遍历所有 VAD 节点（从小到大）：
   a. 检查当前节点起始地址与 LowVpn 之间是否有足够间隙
   b. 如果有间隙且足够大 → 返回该地址
   c. 否则将 LowVpn 移到当前节点结束地址 + 1
   d. 继续下一个节点
5. 如果遍历完所有 VAD 还没有，检查最高地址之前是否有足够空间

地址空间（低位 → 高位）：
┌──────┐   ┌──────────┐   ┌──────────┐   ┌──────────┐
│ VAD1 │   │   VAD2   │   │   VAD3   │   │   VAD4   │
└──────┘   └──────────┘   └──────────┘   └──────────┘
     ↑                        ↑
     │                        └─ 找到空闲区域！
     └─ LowVpn 起始搜索位置

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TABLE_SEARCH_RESULT NTAPI MiFindEmptyAddressRangeInTree(
    SIZE_T Length, ULONG_PTR Alignment, PMM_AVL_TABLE Table,
    OUT PMMADDRESS_NODE *PreviousVad, OUT PULONG_PTR Base)
{
    PageCount = BYTES_TO_PAGES(Length);
    AlignmentVpn = Alignment >> PAGE_SHIFT;
    LowVpn = ALIGN_UP_BY(MM_LOWEST_USER_ADDRESS >> PAGE_SHIFT, AlignmentVpn);

    if (Table->NumberGenericTableElements == 0) {
        *Base = LowVpn << PAGE_SHIFT;
        return TableEmptyTree;
    }

    // 取最左节点
    Node = RtlRightChildAvl(&Table->BalancedRoot);
    while (RtlLeftChildAvl(Node)) Node = RtlLeftChildAvl(Node);

    PreviousNode = NULL;
    while (Node) {
        if (Node->StartingVpn >= LowVpn + PageCount) {
            *Base = LowVpn << PAGE_SHIFT;
            // 确定父节点方向
            return (RtlLeftChildAvl(Node) == NULL) ? TableInsertAsLeft : TableInsertAsRight;
        }
        if (Node->EndingVpn >= LowVpn)
            LowVpn = ALIGN_UP_BY(Node->EndingVpn + 1, AlignmentVpn);
        PreviousNode = Node;
        Node = MiGetNextNode(Node);
    }

    // 检查最高地址之上是否有空间
    HighestVpn = (MM_HIGHEST_VAD_ADDRESS + 1) / PAGE_SIZE;
    if (HighestVpn >= LowVpn + PageCount) {
        *Base = LowVpn << PAGE_SHIFT;
        return TableInsertAsRight;
    }
    return TableFoundNode; // 无足够空间
}

6. MiFindEmptyAddressRangeDownTree------Top-Down 搜索

文件：vadnode.c:591

功能：从指定边界地址向低地址搜索，找到第一个足够大的空闲地址范围。用于 MEM_TOP_DOWN 分配。

搜索算法：

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1. 计算最高边界 HighVpn = (BoundaryAddress + 1) >> PAGE_SHIFT
2. 如果 AVL 树为空，直接返回 BoundaryAddress - Length 对齐后地址
3. 从根节点开始，沿右孩子找到结束地址 >= HighVpn 的节点
4. 从该节点开始，逐个向前遍历（MiGetPreviousNode）：
   a. 计算当前节点结束地址之上的空间大小
   b. 如果空间足够 → 从高地址向下分配
   c. 否则更新 HighVpn 为当前节点起始地址
   d. 继续前一个节点
5. 如果遍历完还没有，检查最低 VAD 之下的空间

地址空间（低位 → 高位）：
┌──────┐   ┌──────────┐   ┌──────────┐   ┌──────────┐
│ VAD1 │   │   VAD2   │   │   VAD3   │   │   VAD4   │
└──────┘   └──────────┘   └──────────┘   └──────────┘
                              ↑              ↑
                              │              └─ BoundaryAddress
                              └─ 找到空闲区域（从高地址向下取）

c 复制代码

TABLE_SEARCH_RESULT NTAPI MiFindEmptyAddressRangeDownTree(
    SIZE_T Length, ULONG_PTR BoundaryAddress, ULONG_PTR Alignment,
    PMM_AVL_TABLE Table, OUT PULONG_PTR Base, OUT PMMADDRESS_NODE *Parent)
{
    HighVpn = (BoundaryAddress + 1) >> PAGE_SHIFT;

    // 从根开始，找到结束地址 >= HighVpn 的最右节点
    Node = RtlRightChildAvl(&Table->BalancedRoot);
    while ((Node->EndingVpn < HighVpn) &&
           ((Child = RtlRightChildAvl(Node)))) Node = Child;

    // 反向遍历
    while (Node) {
        LowVpn = ALIGN_UP_BY(Node->EndingVpn + 1, AlignmentVpn);
        if ((HighVpn > LowVpn) && ((HighVpn - LowVpn) >= PageCount)) {
            LowVpn = ALIGN_DOWN_BY(HighVpn - PageCount, AlignmentVpn);
            *Base = LowVpn << PAGE_SHIFT;
            return ...;
        }
        if (Node->StartingVpn < HighVpn) HighVpn = Node->StartingVpn;
        OldNode = Node;
        Node = MiGetPreviousNode(Node);
    }

    // 检查最低 VAD 之下
    LowVpn = ALIGN_UP_BY(MI_LOWEST_VAD_ADDRESS, Alignment) / PAGE_SIZE;
    if ((HighVpn > LowVpn) && ((HighVpn - LowVpn) >= PageCount)) { ... }
    return TableFoundNode;
}

7. MiInsertBasedSection------基于地址的 Section 管理

文件：vadnode.c:386

用途：管理全局的 MmSectionBasedRoot AVL 树，记录已映射 Section 在地址空间中的位置。

特点：

使用全局表 MmSectionBasedRoot（非进程私有）
插入时以 Section->Address 为节点，以 StartingVpn 为键
通过 MmSectionBasedMutex 保护并发访问

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// MmSectionBasedRoot 是全局变量，不是每个进程一个
extern MM_AVL_TABLE MmSectionBasedRoot;

VOID NTAPI MiInsertBasedSection(IN PSECTION Section)
{
    ASSERT_LOCKED_FOR_WRITE(&MmSectionBasedRoot);
    Result = RtlpFindAvlTableNodeOrParent(&MmSectionBasedRoot,
                                          (PVOID)Section->Address.StartingVpn,
                                          &Parent);
    MiInsertNode(&MmSectionBasedRoot, &Section->Address, Parent, Result);
}

配套函数 MiFindEmptyAddressRangeDownBasedTree （vadnode.c:711）：

在 MmSectionBasedRoot 中从高地址向低地址搜索空闲范围
模拟 Windows 2003 的 bug（当 NTDDI_VERSION < NTDDI_VISTA 时可能浪费最多 Alignment 字节）

附录：AVL 树辅助函数

函数	行号	功能
`MiGetPreviousNode`	423	获取 AVL 树中前一个节点（中序前驱）
`MiGetNextNode`	459	获取 AVL 树中后一个节点（中序后继）
`MiInsertNode`	207	底层 AVL 树节点插入
`MiRemoveNode`	403	底层 AVL 树节点删除
`MiCheckSecuredVad`	813	检查 Secured VAD 的权限修改是否合法
`MiLocateAddress`	147	在当前进程中按虚拟地址查找 VAD
`MmReadWrite`	25	32 字节权限表，按保护码查允许的访问类型