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。
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