兰州大学操作系统实验七存储管理题目和答案.docx
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兰州大学操作系统实验七存储管理题目和答案
实验七实验报告
实验名称:
7
存储管理
实验目的:
1.观察系统存储器使用情况
2.观察进程使用存储器的情况
3.掌握通过内存映像文件提高性能的方法
4.掌握动态内存分配技术
实验时间
3学时
预备知识:
1.存储相关的命令
free显示系统使用和未被使用的内存数量(可以实时执行)
输出包含的标题有3行信息:
Mem。
此行包含了有关物理内存的信息。
包括以下详细内容:
total。
该项显示可用的物理内存总量,单位为KB。
该数字小于安装的物理内存的容量,是因为内核本身也要使用一小部分的内存。
used。
该项显示了用于应用程序超速缓存数据的内存容量。
free。
该项显示了此时未使用且有效的内存容量。
Shared/buffers缓冲区/cached。
这些列显示了有关内存如何使用的更为详细的信息。
-/+buffers/cache。
Linux系统中的部分内存用来为应用程序或设备高速缓存数据。
这部分内存在需要用于其他目的时可以释放。
free列显示了调整的缓冲区行,显示释放缓冲区或高速缓存时可以使用的内存容量。
Swap。
该行显示有关交换内存利用率的信息。
该信息包含全部、已使用和释放的可用内存容量。
vmstat报告进程、内存、分页、IO等多类信息(使用手册页)
size列出目标文件段大小和总大小(使用手册页)
2./proc文件系统(使用手册页man5proc)
/proc/meminfo内存状态信息
/proc/stat包含内存页、内存对换等信息。
/proc/$pid/stat某个进程的信息(包含内存使用信息)
/proc/$pid/maps某个进程的内存映射区信息,包括地址范围、权限、偏移量以及主次设备号和映射文件的索引节点。
/proc/$pid/statm某个进程的内存使用信息,包括内存总大小、驻留集大小、共享页面数、文本页面数、堆栈页面数和脏页面数。
3.内存映像文件
内存映像文件是指把一个磁盘文件映像到内存中,二者存在逐字节的对应关系。
这样做可以加速I/O操作,并可以共享数据。
3.1mmap(建立内存映射)
表头文件#include
#include
定义函数void*mmap(void*start,size_tlength,intprot,intflags,intfd,off_toffsize);
函数说明mmap()用来将某个文件内容映射到内存中,对该内存区域的存取即是直接对该文件内容的读写。
参数start指向欲对应的内存起始地址,通常设为NULL,代表让系统自动选定地址,对应成功后该地址会返回。
参数length代表将文件中多大的部分对应到内存。
参数prot代表映射区域的保护方式有下列组合
PROT_EXEC映射区域可被执行
PROT_READ映射区域可被读取
PROT_WRITE映射区域可被写入
PROT_NONE映射区域不能存取
参数flags会影响映射区域的各种特性
MAP_FIXED如果参数start所指的地址无法成功建立映射时,则放弃映射,不对地址做修正。
通常不鼓励用此旗标。
MAP_SHARED对映射区域的写入数据会复制回文件内,而且允许其他映射该文件的进程共享。
MAP_PRIVATE对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制,即私人的“写入时复制”(copyonwrite)对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。
MAP_ANONYMOUS建立匿名映射。
此时会忽略参数fd,不涉及文件,而且映射区域无法和其他进程共享。
MAP_DENYWRITE只允许对映射区域的写入操作,其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
MAP_LOCKED将映射区域锁定住,这表示该区域不会被置换(swap)。
在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED或MAP_PRIVATE。
参数fd为open()返回的文件描述词,代表欲映射到内存的文件。
参数offset为文件映射的偏移量,通常设置为0,代表从文件最前方开始对应,offset必须是分页大小的整数倍。
返回值若映射成功则返回映射区的内存起始地址,否则返回MAP_FAILED(-1),错误原因存于errno中。
错误代码EBADF参数fd不是有效的文件描述词
EACCES存取权限有误。
如果是MAP_PRIVATE情况下文件必须可读,使用MAP_SHARED则要有PROT_WRITE以及该文件要能写入。
EINVAL参数start、length或offset有一个不合法。
EAGAIN文件被锁住,或是有太多内存被锁住。
ENOMEM内存不足。
3.2munmap(解除内存映射)
表头文件#include
#include
定义函数intmunmap(void*start,size_tlength);
函数说明munmap()用来取消参数start所指的映射内存起始地址,参数length则是欲取消的内存大小。
当进程结束或利用exec相关函数来执行其他程序时,映射内存会自动解除,但关闭对应的文件描述词时不会解除映射。
返回值如果解除映射成功则返回0,否则返回-1,错误原因存于errno中错误代码EINVAL
参数start或length不合法。
4.动态内存分配
4.1malloc(配置内存空间)
表头文件#include
定义函数void*malloc(size_tsize);
函数说明malloc()用来配置内存空间,其大小由指定的size决定。
返回值若配置成功则返回一指针,失败则返回NULL。
4.2free(释放原先配置的内存)
表头文件#include
定义函数voidfree(void*ptr);
函数说明参数ptr为指向先前由malloc()、calloc()或realloc()所返回的内存指针。
调用free()后ptr所指的内存空间便会被收回。
假若参数ptr所指的内存空间已被收回或是未知的内存地址,则调用free()可能会有无法预期的情况发生。
若参数ptr为NULL,则free()不会有任何作用。
4.3calloc(配置内存空间)
表头文件#include
定义函数void*calloc(size_tnmemb,size_tsize);
函数说明calloc()用来配置nmemb个相邻的内存单位,每一单位的大小为size,并返回指向第一个元素的指针。
这和使用下列的方式效果相同:
malloc(nmemb*size);不过,在利用calloc()配置内存时会将内存内容初始化为0。
返回值若配置成功则返回一指针,失败则返回NULL。
5.其他
getpagesize(取得内存分页大小)4096个字节
表头文件#include
定义函数size_tgetpagesize(void);
函数说明返回一分页的大小,单位为字节(byte)。
此为系统的分页大小,不一定会和硬件分页大小相同。
返回值内存分页大小。
附加说明在Intelx86上其返回值应为4096bytes。
实验要求:
1.分别使用命令和/proc文件系统列出系统当前内存的使用情况。
Free
2.启动几个耗时较长的后台进程(多个grep),分别使用free和vmstat连续实时观察内存的使用情况。
寻找字符串模式匹配
3.用size工具观察三个不同的可执行文件的大小以及它们段的大小。
4.启动一个耗时较长的后台进程,通过/proc文件系统查看该进程所有内存使用相关信息,并列出。
5.编写一个程序,打印系统的页面大小。
6.阅读并编译运行以下程序,总结内存映象文件的使用方法。
范例/*利用mmap()来读取/etc/passwd文件内容*/
#include
#include
#include
#include
#include
main()
{
intfd;
void*start;
structstatsb;
fd=open(“/etc/passwd”,O_RDONLY);/*打开/etc/passwd*/
fstat(fd,&sb);/*取得文件大小*/
start=mmap(NULL,sb.st_size,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,0);
if(start==MAP_FAILED)/*判断是否映射成功*/
return;
printf(“%s”,start);
munmap(start,sb.st_size);/*解除映射*/
closed(fd);
}
7.编写一个程序,利用内存映象文件,实现less工具的功能。
manp到内存中
实验要求:
8.分别使用命令和/proc文件系统列出系统当前内存的使用情况。
9.启动几个耗时较长的后台进程(多个grep),分别使用free和vmstat连续实时观察内存的使用情况。
寻找字符串模式匹配
10.用size工具观察三个不同的可执行文件的大小以及它们段的大小。
Size命令的输出不包括stack和heap的部分。
只包括文本段(text),代码段(data),未初始化数据段(bss)三部分。
11.启动一个耗时较长的后台进程,通过/proc文件系统查看该进程所有内存使用相关信息,并列出。
第一个启动的后台进程是上个实验最后一题的读写程序。
此程序耗时较长
第二个启动的是xeyes进程。
12.编写一个程序,打印系统的页面大小。
代码非常简单,只用到了getpagesize()语句的应用
13.阅读并编译运行以下程序,总结内存映象文件的使用方法。
范例/*利用mmap()来读取/etc/passwd文件内容*/
#include
#include
#include
#include
#include
main()
{
intfd;
void*start;
structstatsb;
fd=open(“/etc/passwd”,O_RDONLY);/*打开/etc/passwd*/
fstat(fd,&sb);/*取得文件大小*/
start=mmap(NULL,sb.st_size,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,0);
if(start==MAP_FAILED)/*判断是否映射成功*/
return;
printf(“%s”,start);
munmap(start,sb.st_size);/*解除映射*/
close(fd);
}
总结内存映象文件的使用方法:
内存映像其实就是在内存中创建一个和外存文件完全相同的映像,用户可以将整个文件映射到内存,也可以部分映射。
通过内存映像实现对外存文件的操作。
首先Mmap申请虚拟内存,再次调用file指针所指映射函数对其进行映射。
判断是否映射成功。
进行操作。
最后解除映射。
14.编写一个程序,利用内存映象文件,实现less工具的功能。
manp到内存中
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
intlastrow(char*s,intd);
intnextrow(char*s,intd);
intonepage(char*s,intd);
intmain()
{
intfd,play=0;
charlab;
char*start;
structstatsb;
fd=open("test.txt",O_RDONLY);/*打开*/
fstat(fd,&sb);/*获取文件大小*/
start=mmap(NULL,sb.st_size,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,0);
if(start==MAP_FAILED)/*判断是否映射成功*/
return
(1);
play=onepage(start,play)+1;
lab=getchar();
while(lab!
='q'&&lab!
='Q')
{
if(play<40||play>sb.st_size)
{
lab=getchar();
break;
}
elseif(lab=='')
play=play+1+onepage(start,play);
elseif(lab=='D'||lab=='d')
play=play+1+nextrow(start,play);
elseif(lab=='U'||lab=='u')
play=1+lastrow(start,play);
lab=getchar();
}
munmap(start,sb.st_size);/*解除映射*/
close(fd);
return0;
}
intonepage(char*s,intd)
{
inti,count=0;
char*buffer=malloc(2048);//配置内存空间,由buffer指向该空间
s+=d;
/*每10行作为一页输出*/
for(i=0;i<2048;i++)
{
if(s[i]=='\n')
count++;
if(count==10)
break;
}
memcpy(buffer,s,i);
buffer[i]='\0';
printf("%s\n",buffer);
returni;
}
/*输出下一行*/
intnextrow(char*s,intd)
{
inti;
char*buffer=malloc(100);
s+=d;
for(i=0;i<100;i++)
if(s[i]=='\n')
break;
memcpy(buffer,s,i);
buffer[i]='\0';
printf("%s\n",buffer);
returni;
}
/*输出上一行*/
intlastrow(char*s,intd)
{
inti,count=0;
char*buffer=malloc(100);
intpy=d;
for(;d>0;d--)
{
if(s[d]=='\n')
count++;
if(count==2)
break;
}
memcpy(buffer,s+d+1,py-d-2);
buffer[py-d-2]='\0';
printf("%s\n",buffer);
returnd;
}
认识和体会:
1.要的体会是,通过内存映像文件可以提高速度,提高性能。
Mmap建立内存映射munmap解除内存映射。
动态分配内存空间用mallocfreecalloc还有其他的如getpagesize()方法得到页面大小等。
2.linux内核映像文件有两种:
一种是非压缩版本,叫Image;另一种是它的压缩版本,叫zImage。
zImage是Image经过压缩形成的,所以它的大小比Image小。
为了能使用zImage这个压缩版本,必须在它的开头加上解压缩的代码,将zImage解压缩之后才能执行,因此它的执行速度比Image要慢。
但考虑到嵌入式系统的存储空容量一般都比较小,内核要常驻内存,采用zImage可以占用较少的存储空间,因此牺牲一点性能上的代价也是值得的,所以一般嵌入式系统均采用压缩的内核映像文件,即zImage。