211320周俊霞内存管理实验报告.docx
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211320周俊霞内存管理实验报告
操作系统实验-内存管理实验报告
周俊霞2011211320
2011211307班
实习2：
内存管理实验
一．目的：
在本次实验中，需要从不同的侧面了解Windows2000/XP的虚拟内存机制。
在Windows
2000/XP操作系统中，可以通过一些API操纵虚拟内存。
主要需要了解以下几方面：
▪Windows2000/XP虚拟存储系统的组织
▪如何控制虚拟内存空间
▪如何编写内存追踪和显示工具
▪详细了解与内存相关的API函数的使用
二、Windows2000/XP虚拟内存机制简介：
内存管理是Windows2000/XP执行体的一部分，位于Ntoskrnl.exe文件中，是整个操作系统的重要组成部分。
默认情况下，32位Windows2000/XP上每个用户进程可以占有2GB的私有地址空间，操作系统占有剩下的2GB。
Windows2000/XP在x86体系结构上利用二级页表结构来实现虚拟地址向物理地址的变换。
一个32位虚拟地址被解释为三个独立的分量——页目录索引、页表索引和字节索引——它们用于找出描述页面映射结构的索引。
页面大小及页表项的宽度决定了页目录和页表索引的宽度。
比如，在x86系统中，因为一页包含4096字节，于是字节索引被确定为12位宽（212=4096）。
应用程序有三种使用内存方法：
▪以页为单位的虚拟内存分配方法，适合于大型对象或结构数组；
▪内存映射文件方法，适合于大型数据流文件以及多个进程之间的数据共享；
▪内存堆方法，适合于大量的小型内存申请。
本次实验主要是针对第一种使用方式。
应用程序通过API函数VirtualAlloc和
VirtualAllocEx等实现以页为单位的虚拟内存分配方法。
首先保留地址空间，然后向此地址空间提交物理页面，也可以同时实现保留和提交。
保留地址空间是为线程将来使用保留一块虚拟地址。
在已保留的区域中，提交页面必须指出将物理存储器提交到何处以及提交多少。
提交页面在访问时会转变为物理内存中的有效页面。
三、相关的API函数：
可以通过GetSystemInfo，GlobalMemoryStatus和VirtualQuery来查询进程虚空间的状
态。
主要的信息来源如下：
VOIDGetSystemInfo（LPSYSTEM_INFOlpSystemInfo）;
结构SYSTEMINFO定义如下：
typedefstruct_SYSTEM_INFO{
DWORDdwOemld;
DWORDdwPageSize;
LPVOIDlpMinimumApplicationAddress;
LPVOIDlpMaximumApplicationAddress;
DWORDdwActiveProcessorMask;
DWORDdwNumberOfProcessors;
DWORDdwProcessorType;
DWORDdwAllocationGranularity;//分配粒度
DWORDdwReserved;
}SYSTEM_INFO,*LPSYSTEM_INFO;
函数VOIDGlobalMemoryStatus（LPMEMORYSTATUSlpBuffer）;
数据结构MEMORYSTATUS定义如下：
typedefstruct_MEMORYSTATUS{
DWORDdwLength;
DWORDdwMemoryLoad;
DWORDdwTotalPhys;
DWORDdwAvailPhys;
DWORDdwTotalPageFile;
DWORDdwAvailPageFile;
DWORDdwTotalVirtual;
DWORDdwAvailVirtual;
}MEMORYSTATUS,*LPMEMORYSTATUS;
函数DWORDVirtualQuery（LPCVOLDlpAddress,
PMEMORY_BASIC_INFORMATIONlpBuffer,DWORDdwLength）;
主要数据结构MEMORY_BASIC_INFORMATION定义如下：
typedefstruct_MEMORY_BASIC_INFORMATION{
PVOIDBaseAddress;
PVOIDAllocationBase;
DWORDAllocationProtect;
DWORDRegionSize;
DWORDState;
DWORDProtect;
DWORDType;
}MEMORY_BASIC_INFORMATION;
typedefMEMORY_BASIC_INFORMATION*PMEMORY_BASIC_INFORMATION;
还有一些函数，例如VirtualAlloc，VirtualAllocEx，VirtualFree和VirtualFreeEx等，用
于虚拟内存的管理，详情请见Microsoft的Win32APIReferenceManual。
4、实验内容：
使用这些API函数，编写一个包含两个线程的进程，一个线程用于模拟内存分配活动，一个线程用于跟踪第一个线程的内存行为。
模拟内存活动的线程可以从一个文件中读出要进行的内存操作，每个内存操作包含如下内容：
▪时间：
开始执行的时间；
▪块数：
分配内存的粒度；
▪操作：
包括保留一个区域、提交一个区域、释放一个区域、回收一个区域以及锁与解锁一个区域；可以将这些操作编号，存放于文件中。
▪大小：
指块的大小；
▪访问权限：
共五种：
PAGE_READONLY、
PAGE_READWRITE、
PAGE_EXCUTE、
PAGE_EXECUTE_READ
PAGE_EXECUTE_READWRITE。
可以将这些权限编号，存放于文件中。
跟踪线程将页面大小、已使用的地址范围、
物理内存总量以及虚拟内存总量等信息显示出来。
五、实验步骤：
首先执行makefile.exe,生成opfile文件，里面保存了模拟的内存操作。
然后执行memory-op.exe,产生两个线程，一个从opfile文件里读取内存操作，模拟内存活动，另一个跟踪第一个的内存行为，将结果输出，并保存在out.txt文件中。
两个线程通过信号量实现同步。
6、实验结果分析：
0
dwActiveProcessorMask15//活动处理器掩码
dwAllocationGranularity65536//分配粒度
dwNumberOfProcessors4//处理器号
dwOemId0
dwPageSize4096//页大小
dwProcessorType586//处理器类型
lpMaximumApplicationAddress0x7FFEFFFF//最大分配地址
lpMinimumApplicationAddress0x00010000//最小分配地址
wProcessorArchitecture0//处理器结构
wProcessorLevel6处理器级别
wProcessorRevision10759//处理器修订号
wReserved0//保留
************************************************************************************
dwAvailPageFile2377965568//可用页文件
dwAvailPhys900399104//可用物理大小
dwAvailVirtual2137534464//可用虚拟大小
dwLength32//长度
dwMemoryLoad56//主存下载
dwTotalPageFile4164648960//总共页文件
dwTotalPhys2082324480//总共物理大小
dwTotalVirtual2147352576//总共虚拟大小
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
AllocationBase0x00010000//分配基址
AllocationProtect4//分配保护
BaseAddress0x00010000//基地址
Protect4//类型
RegionSize65536//区域大小
State4096//状态
Type262144//类型
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1//同上
dwActiveProcessorMask15
dwAllocationGranularity65536
dwNumberOfProcessors4
dwOemId0
dwPageSize4096
dwProcessorType586
lpMaximumApplicationAddress0x7FFEFFFF
lpMinimumApplicationAddress0x00010000
wProcessorArchitecture0
wProcessorLevel6
wProcessorRevision10759
wReserved0
************************************************************************************
dwAvailPageFile2377961472
dwAvailPhys900362240
dwAvailVirtual2137522176
dwLength32
dwMemoryLoad56
dwTotalPageFile4164648960
dwTotalPhys2082324480
dwTotalVirtual2147352576
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
AllocationBase0x00010000
AllocationProtect4
BaseAddress0x00010000
Protect4
RegionSize65536
State4096
Type262144
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
一直到30；
保留（reserve）、
提交（commit）、
加锁（lock）、
解锁（unlock）
回收（decommit）、
释放（release）、
保留：
在虚拟地址空间分配，不分配物理空间
提交：
在物理地址空间分配
加锁：
常驻内存，即防止操作系统把对应的内存空间换出到外存
解锁：
允许操作系统把对应的内存空间换出到外存
回收：
释放物理空间，但保留虚拟空间
释放：
释放物理空间和虚拟空间
1、主要数据结构：
structoperation
{
inttime;//起始时间
intblock;//内存页数
intoper;//操作
intprotection;//权限
};
structtrace//跟踪每一次分配活动的数据结构
{
LPVOIDstart;//起始地址
longsize;//分配的大小
};
2、主程序：
intmain（）
{
DWORDdwThread;
HANDLEhandle[2];
//生成两个线程
handle[0]=CreateThread（NULL,0,（LPTHREAD_START_ROUTINE）Tracker,NULL,0,&dwThread）;
handle[1]=CreateThread（NULL,0,（LPTHREAD_START_ROUTINE）Allocator,NULL,0,&dwThread）;
//生成两个信号量
allo=CreateSemaphore（NULL,0,1,"allo"）;
trac=CreateSemaphore（NULL,1,1,"trac"）;
//等待线程执行的执行结束后，再退出
WaitForMultipleObjects（2,handle,TRUE,INFINITE）;
system（"pause"）;
return0;
}
附录：
源程序：
//makefile.cpp
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//文件生成程序
#include
#include
#include
#include
structoperation
{
inttime;//起始时间
intblock;//内存页数
intoper;//操作
intprotection;//权限
};
intmain（）
{
FILE*file;
file=fopen（"opfile","wb"）;//“opfile”为二进制用以确定内存操作
operationop;
for（intj=0;j<6;j++）//0-保留；1-提交；2-锁；3-解锁；4-回收；5-释放
for（inti=0;i<5;i++）
//0-PAGE_READONLY;
//1-PAGE_READWRITE;
//2-PAGE_EXECUTE;
//3-PAGE_EXECUTE_READ;
//4-PAGE_EXECUTE_READWRITE;
{
op.time=rand（）%1000;//随机生成等待时间
op.block=rand（）%5+1;//随机生成块大小
op.oper=j;
op.protection=i;
fwrite（&op,sizeof（operation）,1,file）;//将生成的结构写入文件
}
system（"pause"）;
return0;
}
//memory-op.cpp
//内存管理实习
//将程序从文件读入每次的操作，并将结果输入到out.txt文件中
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include
#include
#include
#include
#include
structoperation
{
inttime;//起始时间
intblock;//内存页数
intoper;//操作
intprotection;//权限
};
structtrace//跟踪每一次分配活动的数据结构
{
LPVOIDstart;//起始地址
longsize;//分配的大小
};
HANDLEallo,trac;//信号量的句柄
DWORDTracker（LPDWORDlpdwparm）//跟踪allocator线程的内存行为，并输出必要信息
{
ofstreamoutfile;//输出文件
outfile.open（"out.txt"）;
for（inti=0;i<=30;i++）
{
WaitForSingleObject（trac,INFINITE）;//等待allocator一次内存分配活动结束
//打印内存状况和系统状况
outfile<//以下一段显示系统信息，每次执行操作后系统信息不变
//如果要查看系统信息，可以取消注释
SYSTEM_INFOinfo;//系统信息
GetSystemInfo（&info）;
outfile<<"dwActiveProcessorMask"<<'\t'<outfile<<"dwAllocationGranularity"<<'\t'<outfile<<"dwNumberOfProcessors"<<'\t'<outfile<<"dwOemId"<<'\t'<outfile<<"dwPageSize"<<'\t'<outfile<<"dwProcessorType"<<'\t'<outfile<<"lpMaximumApplicationAddress"<<'\t'<outfile<<"lpMinimumApplicationAddress"<<'\t'<outfile<<"wProcessorArchitecture"<<'\t'<outfile<<"wProcessorLevel"<<'\t'<outfile<<"wProcessorRevision"<<'\t'<outfile<<"wReserved"<<'\t'<outfile<<"************************************************************************************"<//内存状况
MEMORYSTATUSstatus;//内存状态
GlobalMemoryStatus（&status）;
outfile<<"dwAvailPageFile"<<'\t'<outfile<<"dwAvailPhys"<<'\t'<outfile<<"dwAvailVirtual"<<'\t'<outfile<<"dwLength"<<'\t'<outfile<<"dwMemoryLoad"<<'\t'<outfile<<"dwTotalPageFile"<<'\t'<outfile<<"dwTotalPhys"<<'\t'<outfile<<"dwTotalVirtual"<<'\t'<outfile<<"&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&"<//以下一段显示内存基本信息，每次操作后内存基本信息不变
//如要查看内存基本信息，可以取消注释
MEMORY_BASIC_INFORMATIONmem;//内存基本信息
VirtualQuery（info.lpMinimumApplicationAddress,&mem,
sizeof（MEMORY_BASIC_INFORMATION））;
outfile<<"AllocationBase"<<'\t'<outfile<<"AllocationProtect"<<'\t'<outfile<<"BaseAddress"<<'\t'<outfile<<"Protect"<<'\t'<outfile<<"RegionSize"<<'\t'<outfile<<"State"<<'\t'<outfile<<"Type"<<'\t'<outfile<<"~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"<//释放信号量通知allocator可以执行下一次内存分配活动
ReleaseSemaphore（allo,1,NULL）;
}
return0;
}
voidAllocator（）//模拟内存分配活动的线程
{
tracetraceArray[5];
intindex=0;
FILE*file;
file=fopen（"opfile","rb"）;//读入文件
operationop;
SYSTEM_INFOinfo;
DWORDtemp;
GetSystemInfo（&info）;
for（inti=0;i<30;i++）
{
WaitForSingleObject（allo,INFINITE）;//等待tracker打印结束的信号量
cout<';
fread
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