Introduction
在這篇專欄裡，我們將從開發者的角度來探討SQL Server內存管理內幕。就是說，我們將討論SQL Server使用API和操作系統功能管理內存的方式及其工作原理。通過這種方式探討一個產品，將有助於我們理解產品開發者的思路，以及他們所設計的使用方法。理解一個產品的工作原理和它的設計用途，是掌握這個產品的關鍵。
我們將從一些基礎的Windows內存管理基本原理介紹開始。和所有的32位Windows應用程序一樣，SQL Server使用Windows內存管理功能分配、釋放、管理內存資源。正如所有其它的Windows應用程序，SQL Server調用Win32內存管理API函數，與操作系統提供的內存資源進行交互。
由於SQL Server中幾乎所有的內存分配都使用虛擬內存（不是內存堆），因此絕大部分內存分配代碼最終都是通過調用Win32的VirtualAlloc或者是VirtualFree函數完成。SQL Server調用VirtualAlloc保留、提交分配的虛擬內存，調用VirtualFree釋放虛擬內存。
Virtual Memory vs Physical Memory
在x86系列處理器上，Windows為所有進程提供一個4GB虛擬內存工作空間。用"虛擬"這個詞，意思是這個內存並不是通常意義上的內存，它只是一個地址范圍，並沒有和物理存儲單元關聯在一起。當進程請求內存分配時，這些地址空間才被使用，和具體的物理存儲單元關聯起來。然而這些物理存儲單元並不一定是物理內存，它通常可能會是磁盤空間，確切的說，是操作系統的分頁文件（System Paging Files）。這就是為什麼多個應用程序可以同時運行在一個128M內存的系統上，每個應用程序都有一個4GB的虛擬內存地址空間－－它不是真正的內存，但對應用程序來說可以理解為內存。Windows透明的處理paging files的數據拷貝，以使應用程序能夠使用的內存可以超過機器的實際物理內存，並使應用程序能夠公平的存取機器的物理內存。
這個4GB的地址空間被分成兩部分：user mode部分和kernal mode部分。默認情況下，每個部分的大小為2GB，在Windows NT系列的操作系統上，可以通過BOOT.INI中的開關來改變這個默認設置（Windows NT, Windows 2000, Windows XP和Windows Server 2003屬於Windows NT系列，Windows 9x和Windows ME不屬於）。
圖1：Windows將進程的虛擬地址空間分成user mode（應用程序）和kernal mode（操作系統）兩個部分
每個應用程序擁有自己的虛擬內存地址空間，但操作系統和設備驅動程序共享同一個私有地址空間。每一個虛擬內存頁（memory page）都和特定的處理器模式（processor mode）相關聯，為了存取某個虛擬內存頁，處理器必須工作在要求的模式下。這意味著應用程序不能直接存取kernal mode的虛擬內存，系統必須切換到kernal mode才能存取kernal mode的內存空間。
Application Memory Tuning
3GB啟動選項（Windows 2000的Advanced Server和DataCenter及後續Windows版本中可用）允許改變這兩個地址空間部分的默認大小。它允許將進程的user mode地址空間從2GB擴展到3GB，相應的代價是kernal mode的地址空間從2GB減小到1GB。用Windows的說法，這個功能叫做Application Memory Tuning或者是4GB Tuning（4GT）。你可以通過在BOOT.INI文件的[Operating Systems]部分添加/3GB開關啟用應用Application Memory Tuning。通常情況下，人們通過設置BOOT.INI文件的[Operating Systems]部分，將系統配置為可以使用3GB或者不使用3GB啟動，以使在系統啟動時可以進行選擇。
警告：你也可以在Windows 2000 Professional和Windows 2000 Server上使用/3GB開關，這樣做的負面結果是，將kernal mode的空間減小到了1GB，但並不會增加user mode的空間。換句話說，你減小了kernal mode的空間但並沒有獲得任何好處。
注意：Windows XP和Windows Server 2003引入了一個新的啟動選項/USERVA，和/3GB一起使用，比單獨使用/3GB能夠更好的控制。你在BOOT.INI中添加/3GB的時候可以同時添加/USERVA，/USERVA比單獨使用/3GB的優點是它允許你指定一個准確的地址空間大小值供user mode存取。例如，/USERVA=2560為user mdoe配置2.5G的空間，剩余的1.5G用於kernal mode。上面的警告信息在使用/USERVA選項時同樣適用。
Large-Address-Aware Executables
在/3GB支持加入Windows之前，應用程序無法使用指針的最高位，User mode的應用程序只能夠對32位指針的前31位表示的地址空間進行存取。對於剩下的1位，一些聰明的開發者不希望浪費進程空間裡的這1個位，把它用於了其它的目的，例如用於標識那些應用程序特定的地址分配類型的指針。這在引入/3GB後帶來一個難題，因為這種類型的應用程序無法區分引用2GB以上內存的指針，和那些引用2GB以下內存但是最高位由於其它原因而被設置的指針。基本上，使用/3GB啟動機器，會使這樣的應用程序崩潰。為了解決這個問題，微軟在Win32 PE文件格式（定義Windows下可執行文件Exe和Dll結構的格式）的Characteristics字段加入一個新標識位的支持，用於指示應用程序是否支持大的尋址能力。設置可執行文件頭中Characteristics字段的第32位啟用IMAGE_FILE_LARGE_ADDRESS_AWARE標識位。通過設置應用程序頭的這個標識位，表明應用程序能夠處理那些最高位被設置的指針，不會由於這個位帶來任何多意性。當設置了這個標識位，在正確的Windows版本上使用/3GB選項啟動，系統將為進程提供一個私有的擴展user mode地址空間。你可以使用DumpBin、ImageCfg等可以分析可執行文件頭的工具，查看應用程序是否啟用了這個標識位。Visual C++通過/LARGEADDRESSAWARE連接開關提供對IMAGE_FILE_LARGE_ADDRESS_AWARE的支持。SQL Server啟用了這個標識位，因此當你在正確的Windows版本上使用/3GB開關啟動，系統將擴展SQL Server的user mode地址空間。
注意：Windows在進程啟動時檢查IMAGE_FILE_LARGE_ADDRESS_AWARE標識，忽略Dll的標識。對那些最高位被設置的指針，dll代碼必須能夠正確處理。
