32位应用程序如何使用大于2GB的内存？
32位应用程序如何使用大于2GB的内存？
不管是在 32 位 Windows 还是在 64 位 Windows，32 位应用程序都只能使用最大 2GB 的内存，这是我们司空见惯的一个设定。但其实 Windows 提供了一些方法让我们打破这样的设定，使程序使用大于 2GB 的内存。
为什么 32 位程序只能使用最大 2GB 内存？
32 位寻址空间只有 4GB 大小，于是 32 位应用程序（进程）最大只能用到 4GB 的内存。然而，除了应用程序本身要用内存，操作系统内核也需要使用。应用程序使用的内存空间分为用户空间和内核空间，每个 32 位程序的用户空间可独享前 2GB 空间（指针值为正数），而内核空间为所有进程共享 2GB 空间（指针值为负数）。所以，32 位应用程序实际能够访问的内存地址空间最多只有 2GB。
让 32 位程序使用大于 2GB 内存的两种方法
editbin
这是 Visual Studio 2017 采用的做法。我们需要使用到两个工具——editbin 和 dumpbin。前者用于编辑我们编译生成好的程序使之头信息中声明支持大于 2GB 内存，后者用于查看程序的头信息验证我们是否改好了。
编辑一个程序使之声明支持大于 2GB 内存的命令是：
editbin /largeaddressaware xxx.exe其中，xxx.exe 是我们准备修改的程序，可以使用相对路径或绝对路径（如果路径中出现空格记得带引号）。
验证这个程序是否改好了的命令是：
dumpbin /headers xxx.exe | more同样，xxx.exe 是我们刚刚改好准备检查的程序，可以使用相对路径或绝对路径。
editbin 改之前和改之后用 dumpbin 查看我们的程序头信息，得到下面两张图：
注意到 FILE HEADER VALUES 块的倒数第二行多出了 Application can handle large (>2GB) addresses。
如果没发现，一定是你命令执行中发生了错误，检查一下吧！最容易出现的错误是执行后发现根本就没有这个命令。是的，editbin 命令从哪里来呢？可以在开始菜单中的 Visual Studio 文件夹中查找 Developer Command Prompt for VS 2017，运行这个启动的命令行中就带有 editbin 和 dumpbin。
如果希望能够在 Visual Studio 编译的时候自动调用这个工具，请参见：LargeAddressAware Visual Studio 2015 C#。
编译成 AnyCPU (Prefer 32-bit)
这是本文更推荐的做法，也是最简单的做法。方法是打开入口程序集的属性页，将“目标平台”选为“AnyCPU”，然后勾选“首选 32 位”。需要注意的是，这种生成方式是 .Net Framework 4.5 及以上版本才提供的。
至于 AnyCPU (Prefer 32-bit) 和 x86 两种生成方式的区别，请参见：What is the purpose of the “Prefer 32-bit” setting in Visual Studio 2012 and how does it actually work?。
声明支持大于 2GB 内存后，能使用多少内存？
对于 32 位操作系统，程序依然只能使用 2GB 内存，除非开启了 /3GB 开关，开启方法详见：/3GB。开启后，应用程序的用户态将可以使用 3GB 内存，但内核态将只能使用 1GB 内存。微软认为，是否打开 /3GB 开关是计算机设备开发商需要做的事情，开发商也需要自己测试开启后驱动程序的性能表现和稳定性。
对于 64 位操作系统，Windows 将很豪放地将 4GB 全部贡献给这样的程序，因为系统自己已经有更多的内存寻址空间可以使用了，没必要跟 32 位应用程序抢占寻址空间。
AWE（Address Windowing Extensions）
AWE是Windows的内存管理功能的一组扩展，它允许应用程序获取物理内存，然后将非分页内存的视图动态映射到32位地址空间。虽然32位地址空间限制为4GB，但是非分页内存却可以远远大于4GB。这使需要大量内存的应用程序（如大型数据库系统）能使用的内存量远远大于32位地址空间所支持的内存量。
为了使用大容量内存，除了要用到AWE外，还有一样东西不能少，那就是PAE（Physical Address Extension）。PAE是基于x86的服务器的一种功能，它使运行Windows Server 2003，Enterprise Edition 和Windows Server 2003，Datacenter Edition 的计算机可以支持 4 GB 以上物理内存。物理地址扩展(PAE)允许将最多64 GB的物理内存用作常规的4 KB页面，并扩展内核能使用的位数以将物理内存地址从 32扩展到36。
一般情况下，Windows系统的PAE没有生效，只有开启了PAE后windows系统才可以识别出4G以上的内存。在使用boot.int的系统中，要启动PAE必须在boot.ini中加入/PAE选项。在Windows Vista和Windows7中则必须修改内核文件，同时设置BCD启动项。针对Vista系统和Win7系统可以使用Ready For 4GB这个软件直接完成这一操作，具体方法见Ready For 4GB的软件说明。以下就是一个开启了/PAE选项的boot.ini文件示例：
[boot loader]
timeout=30
default=multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS
[operating systems]
multi(0)disk(0)rdisk(0)partition(1)WINDOWS="Windows Server 2003, Enterprise" /fastdetect /PAE本文将以Windows 7旗舰版为例介绍如何在打开PAE的情况下使用AWE在程序中达到使用2G以上内存的目的。下图分别为开启PAE和未开启PAE时系统识别出的内存容量区别。
开启PAE
关闭PAE
如果没有打开PAE，系统只能认出3G的内存，最多可以再多0.5G不到，这样即使使用AWE，由于系统和其他应用程序已经占去了一部分内存，剩下的内存或许也只有2G多一点了，没什么太大提高。只有当系统认出了4G以上的内存，AWE才能发挥它真正的作用。
下面我们看看windows中给出的有关AWE的API函数，它们都定义在winbase.h中。
#if (_WIN32_WINNT >= 0x0500)
//
// Very Large Memory API Subset
//
WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
AllocateUserPhysicalPages(
__in HANDLE hProcess,
__inout PULONG_PTR NumberOfPages,
__out_ecount_part(*NumberOfPages, *NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
);
WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
FreeUserPhysicalPages(
__in HANDLE hProcess,
__inout PULONG_PTR NumberOfPages,
__in_ecount(*NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
);
WINBASEAPI
BOOL
WINAPI
MapUserPhysicalPages(
__in PVOID VirtualAddress,
__in ULONG_PTR NumberOfPages,
__in_ecount_opt(NumberOfPages) PULONG_PTR PageArray
);
//...
#endif从winbase.h中的定义可以看出，只有当你的系统版本大于或等于0x0500时，才能够使用AWE。
各个版本的_WIN32_WINNT值见下表，Windows 2000以下的版本不能使用AWE。
| Minimum system required |
Minimum value for _WIN32_WINNT and WINVER |
| Windows 7 |
0x0601 |
| Windows Server 2008 |
0x0600 |
| Windows Vista |
0x0600 |
| Windows Server 2003 with SP1, Windows XP with SP2 |
0x0502 |
| Windows Server 2003, Windows XP |
0x0501 |
| Windows 2000 |
0x0500 |
如果你的系统版本符合要求，但是编译器在编译加入了AWE API的代码出错，可以在程序头文件中加入下面的代码。
#ifndef _WIN32_WINNT
#define _WIN32_WINNT 0x0501
#endif 下面简要介绍一下每个API的功能。
BOOL WINAPI AllocateUserPhysicalPages( //分配物理内存页,用于后面AWE的内存映射
__in HANDLE hProcess, //指定可以使用此函数分配的内存页的进程
__inout PULONG_PTR NumberOfPages, //分配的内存页数,页的大小由系统决定
__out PULONG_PTR UserPfnArray //指向存储分配内存页帧成员的数组的指针
);
BOOL WINAPI FreeUserPhysicalPages( //释放AllocateUserPhysicalPages函数分配的内存
__in HANDLE hProcess, //释放此进程虚拟地址空间中的分配的内存页
__inout PULONG_PTR NumberOfPages, //要释放的内存页数
__in PULONG_PTR UserPfnArray //指向存储内存页帧成员的数组的指针
);
BOOL WINAPI MapUserPhysicalPages( //将分配好的内存页映射到指定的地址
__in PVOID lpAddress, //指向要重映射的内存区域的指针
__in ULONG_PTR NumberOfPages, //要映射的内存页数
__in PULONG_PTR UserPfnArray //指向要映射的内存页的指针
);在看实例程序前还有一些设置需要做，需要对系统的本地安全策略进行设置。在win7中，打开“控制面板->系统和安全->管理工具->本地安全策略”，给“锁定内存页”添加当前用户，然后退出，重启（不重启一般无法生效！）。
经过前面的准备（再啰嗦一次：确认自己的电脑装有4G或4G以上的内存；开启PAE，使系统认出4G或以上的内存；设置好本地安全策略），我们就可以通过下面的代码来做个实验了。
代码是从MSDN中AWE的一个Example修改而来的，具体流程见代码中的注释，如果对该Example的源代码有兴趣可以参考MSDN。
#include "AWE_TEST.h"
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#define MEMORY_REQUESTED ((2*1024+512)*1024*1024) //申请2.5G内存,测试机上只有4G内存,而且系统是window7,比较占内存.申请3G容易失败.
#define MEMORY_VIRTUAL 1024*1024*512 //申请长度0.5G的虚拟内存,即AWE窗口.
//检测"锁定内存页"权限的函数
BOOL LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess, BOOL bEnable);
void _cdecl main()
{
BOOL bResult; // 通用bool变量
ULONG_PTR NumberOfPages; // 申请的内存页数
ULONG_PTR NumberOfPagesInitial; // 初始的要申请的内存页数
ULONG_PTR *aPFNs; // 页信息,存储获取的内存页成员
PVOID lpMemReserved; // AWE窗口
SYSTEM_INFO sSysInfo; // 系统信息
INT PFNArraySize; // PFN队列所占的内存长度
GetSystemInfo(&sSysInfo); // 获取系统信息
printf("This computer has page size %d./n", sSysInfo.dwPageSize);
//计算要申请的内存页数.
NumberOfPages = MEMORY_REQUESTED/sSysInfo.dwPageSize;
printf ("Requesting %d pages of memory./n", NumberOfPages);
// 计算PFN队列所占的内存长度
PFNArraySize = NumberOfPages * sizeof (ULONG_PTR);
printf ("Requesting a PFN array of %d bytes./n", PFNArraySize);
aPFNs = (ULONG_PTR *) HeapAlloc(GetProcessHeap(), 0, PFNArraySize);
if (aPFNs == NULL)
{
printf ("Failed to allocate on heap./n");
return;
}
// 开启"锁定内存页"权限
if( ! LoggedSetLockPagesPrivilege( GetCurrentProcess(), TRUE ) )
{
return;
}
// 分配物理内存,长度2.5GB
NumberOfPagesInitial = NumberOfPages;
bResult = AllocateUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),
&NumberOfPages,
aPFNs );
if( bResult != TRUE )
{
printf("Cannot allocate physical pages (%u)/n", GetLastError() );
return;
}
if( NumberOfPagesInitial != NumberOfPages )
{
printf("Allocated only %p pages./n", NumberOfPages );
return;
}
// 保留长度0.5GB的虚拟内存块(这个内存块即AWE窗口)的地址
lpMemReserved = VirtualAlloc( NULL,
MEMORY_VIRTUAL,
MEM_RESERVE | MEM_PHYSICAL,
PAGE_READWRITE );
if( lpMemReserved == NULL )
{
printf("Cannot reserve memory./n");
return;
}
char *strTemp;
for (int i=0;i<5;i++)
{
// 把物理内存映射到窗口中来
// 分5次映射,每次映射0.5G物理内存到窗口中来.
// 注意,在整个过程中,lpMenReserved的值都是不变的
// 但是映射的实际物理内存却是不同的
// 这段代码将申请的2.5G物理内存分5段依次映射到窗口中来
// 并在每段的开头写入一串字符串.
bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
NumberOfPages/5,
aPFNs+NumberOfPages/5*i);
if( bResult != TRUE )
{
printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
return;
}
// 写入字符串,虽然是写入同一个虚存地址,
// 但是窗口映射的实际内存不同,所以是写入了不同的内存块中
strTemp=(char*)lpMemReserved;
sprintf(strTemp,"This is the %dth section!",i+1);
// 解除映射
bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
NumberOfPages/5,
NULL );
if( bResult != TRUE )
{
printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
return;
}
}
// 现在再从5段内存中读出刚才写入的字符串
for (int i=0;i<5;i++)
{
// 把物理内存映射到窗口中来
bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
NumberOfPages/5,
aPFNs+NumberOfPages/5*i);
if( bResult != TRUE )
{
printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
return;
}
// 将映射到窗口中的不同内存块的字符串在屏幕中打印出来
strTemp=(char*)lpMemReserved;
printf("%s/n",strTemp);
// 解除映射
bResult = MapUserPhysicalPages( lpMemReserved,
NumberOfPages/5,
NULL );
if( bResult != TRUE )
{
printf("MapUserPhysicalPages failed (%u)/n", GetLastError() );
return;
}
}
// 释放物理内存空间
bResult = FreeUserPhysicalPages( GetCurrentProcess(),
&NumberOfPages,
aPFNs );
if( bResult != TRUE )
{
printf("Cannot free physical pages, error %u./n", GetLastError());
return;
}
// 释放虚拟内存地址
bResult = VirtualFree( lpMemReserved,
0,
MEM_RELEASE );
// 释放PFN队列空间
bResult = HeapFree(GetProcessHeap(), 0, aPFNs);
if( bResult != TRUE )
{
printf("Call to HeapFree has failed (%u)/n", GetLastError() );
}
}
/*****************************************************************
输入:
HANDLE hProcess: 需要获得权限的进程的句柄
BOOL bEnable: 启用权限 (TRUE) 或 取消权限 (FALSE)?
返回值: TRUE 表示权限操作成功, FALSE 失败.
*****************************************************************/
BOOL
LoggedSetLockPagesPrivilege ( HANDLE hProcess,
BOOL bEnable)
{
struct {
DWORD Count;
LUID_AND_ATTRIBUTES Privilege [1];
} Info;
HANDLE Token;
BOOL Result;
// 打开进程的安全信息
Result = OpenProcessToken ( hProcess,
TOKEN_ADJUST_PRIVILEGES,
& Token);
if( Result != TRUE )
{
printf( "Cannot open process token./n" );
return FALSE;
}
// 开启 或 取消?
Info.Count = 1;
if( bEnable )
{
Info.Privilege[0].Attributes = SE_PRIVILEGE_ENABLED;
}
else
{
Info.Privilege[0].Attributes = 0;
}
// 获得LUID
Result = LookupPrivilegeValue ( NULL,
SE_LOCK_MEMORY_NAME,
&(Info.Privilege[0].Luid));
if( Result != TRUE )
{
printf( "Cannot get privilege for %s./n", SE_LOCK_MEMORY_NAME );
return FALSE;
}
// 修改权限
Result = AdjustTokenPrivileges ( Token, FALSE,
(PTOKEN_PRIVILEGES) &Info,
0, NULL, NULL);
// 检查修改结果
if( Result != TRUE )
{
printf ("Cannot adjust token privileges (%u)/n", GetLastError() );
return FALSE;
}
else
{
if( GetLastError() != ERROR_SUCCESS )
{
printf ("Cannot enable the SE_LOCK_MEMORY_NAME privilege; ");
printf ("please check the local policy./n");
return FALSE;
}
}
CloseHandle( Token );
return TRUE;
}程序运行结果如下：
可以看出系统分页的大小为4K，总共申请了655360个分页，也就是2.5G。每个分页成员占4字节，总共2621440字节。2.5G内存分成5段512M的块，成功写入了字符串并成功读取。
在调试过程中，在执行了AllocateUserPhysicalPages函数后设置断点，查看任务管理器，可以看出成功分配了物理内存后，实际物理内存被占用了2.5G，从而验证了AWE的效果。
通过上述示例，我们成功的在32位系统中识别出了4G的内存，并且在32位程序中成功使用了超过2G的内存。借助PAE和AWE，即使在32位系统上，我们也能够顺利开发对内存消耗较大的应用程序，而不需要依赖于64位平台。
解决方案
默认情况下，32程序的内存地址空间只有2G，这2G内存除了存储程序数据外还需要存储程序本身，根据经验，程序一旦使用超过1G的内存就不太稳定。
方案一：进程拆分
将程序中耗内存的功能拆分成单独的进程。此方法在目前的各个项目开发中正在使用。但有时候会出现功能无法拆分（如数据浏览），或拆分后还出现主进程较长时间使用还是出现内存溢出的问题。所以此方案还不能完全解决这个内存溢出的问题。
方案二：突破2G限制
通过开启/largeaddressaware 的方式突破单进程2个G的限制（理论最大4G 虚拟地址空间）。
2.2.1 操作方法
具体操作方法：
方法1：在命令行依次执行以下几行命令
cd C:\Program Files(x86)\Microsoft Visual Studio 11.0\VC\bin
vcvars32.bat
editbin /largeaddressawrexx.exe
方法2：在VS （以VS2012为例）项目属性->生成事件->后期生成事件命令行中设置如下命令行：
call"%VS110COMNTOOLS%..\tools\vsvars32.bat"
editbin /largeaddressaware$(TargetPath)
说明：方法一在每次编译后需要执行相关命令；方法二在VS编译后自动完成相关设置操作，使用方便。
2.2.2 测试程序
以下为测试程序的编写示例：
测试程序：通过在exe中进行编写以下大量分配内存的程序进行测试，将错误信息输出到日志
static void Main(string[] args)
{
try
{
int count = 100000000;
List<int[]> lst = newList<int[]>(count);
for (int i = 0; i < count;i++)
{
lst.Add(new int[1000000]);
}
}
catch (Exception ex)
{
LogHelper.Error.Append(ex);
}
}1)未突破2G限制的日志信息如下：
19:33:07:849
System.OutOfMemoryException:引发类型为“System.OutOfMemoryException”的异常。
19:33:07:855
当前专用内大小：1.69 GB
当前虚拟内存大小：1.94 GB
最大虚拟内存量：1.94 GB
物理内存总大小：4 GB
可用物理内存大小：4 GB
虚拟内存总大小：2 GB
可用虚拟内存大小：62.31 MB
交换空间总大小：4 GB
可用交换空间大小：4 GB
2)突破4G限制的日志信息如下：
19:33:45:371
System.OutOfMemoryException:引发类型为“System.OutOfMemoryException”的异常。
19:33:45:377
当前专用内大小：3.59 GB
当前虚拟内存大小：3.9 GB
最大虚拟内存量：3.91 GB
物理内存总大小：4 GB
可用物理内存大小：4 GB
虚拟内存总大小：4 GB
可用虚拟内存大小：105.38 MB
交换空间总大小：4 GB
可用交换空间大小：4 GB
结论
综上，通过方案一和方案二相结合，能比较完美地解决32位程序内存溢出的问题（当然，如果这个程序使用过程中占用的内存达到3G以上的时候还是容易出问题，那就需要从程序本身去优化了）。
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