佛山科学技术学院操作系统虚拟存储器实验报告.docx
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佛山科学技术学院操作系统虚拟存储器实验报告
实验三虚拟存储器
3.1背景知识
在Windows2000环境下，4GB的虚拟地址空间被划分成两个部分：
低端2GB提供给进程使用，高端2GB提供给系统使用。
这意味着用户的应用程序代码，包括DLL以及进程使用的各种数据等，都装在用户进程地址空间内（低端2GB）。
用户过程的虚拟地址空间也被分成三部分：
1）虚拟内存的已调配区（committed）：
具有备用的物理内存，根据该区域设定的访问权限，用户可以进行写、读或在其中执行程序等操作。
2）虚拟内存的保留区（reserved）：
没有备用的物理内存，但有一定的访问权限。
3）虚拟内存的自由区（free）：
不限定其用途，有相应的PAGE_NOACCESS权限。
与虚拟内存区相关的访问权限告知系统进程可在内存中进行何种类型的操作。
例如，用户不能在只有PAGE_READONLY权限的区域上进行写操作或执行程序；也不能在只有PAGE_EXECUTE权限的区域里进行读、写操作。
而具有PAGE_NOACCESS权限的特殊区域，则意味着不允许进程对其地址进行任何操作。
在进程装入之前，整个虚拟内存的地址空间都被设置为只有PAGE_NOACCESS权限的自由区域。
当系统装入进程代码和数据后，才将内存地址的空间标记为已调配区或保留区，并将诸如EXECUTE、READWRITE和READONLY的权限与这些区域相关联。
如表3-2所示，给出了MEMORY_BASIC_INFORMAITON的结构，此数据描述了进程虚拟内存空间中的一组虚拟内存页面的当前状态，期中State项表明这些区域是否为自由区、已调配区或保留区；Protect项则包含了windows系统为这些区域添加了何种访问保护；type项则表明这些区域是课执行图像、内存映射文件还是简单的私有内存。
VirsualQueryEX（）API能让用户在指定的进程中，对虚拟内存地址的大小和属性进行检测。
Windows还提供了一整套能使用户精确控制应用程序的虚拟地址空间的虚拟内存API。
一些用于虚拟内存操作及检测的API如表3-2所示。
表3-1MEMORY_BASIC_INFORMAITON结构的成员
成员名称
目的
PVOIDBaseAddress
虚拟内存区域开始处的指针
PVOIDAllocationBase
如果这个特定的区域为子分配区的话，则为虚拟内存外面区域的指针；否则此值与BaseAddress相同
DWORDAllocationProtect
虚拟内存最初分配区域的保护属性。
其可能值包括：
PAGE_NOACCESS,PAGE_READONLY,PAGE_READWRITE和PAGE_EXECUTE_READ
DWORDRegionSize
虚拟内存区域的字节数
DWORDState
区域的当前分配状态。
其可能值为MEM_COMMIT,MEM_PREE和MEM_RESERVE
DWORDProtect
虚拟内存当前的保护属性。
可能值与AllocationProtect成员的相同
DWORDType
虚拟内存区域中出现的页面类型。
可能值为MEM_IMAGE,MEM_MAPPED和MEM_PRIVATE
表3-2虚拟内存的API
API名称
描述
VisualQueryEX（）
通过填充MEMORY_BASIC_INFORMATION结构检测进程内虚拟内存的区域
VisualAlloc（）
保留或调配进程的部分虚拟内存，设置分配和保护标志
VirsualFree（）
释放或收回应用程序使用的部分虚拟地址
VirsualProtect（）
改变虚拟内存区域保护规范
VirsualLock（）
防止系统将虚拟内存区域通过系统交换到页面文件中
VirsualUnlock（）
释放虚拟内存的锁定区域，必要时，允许系统将其交换到页面文件中
提供虚拟内存分配功能的是VirtualAlloc（）API。
该API支持用户向系统要求新的虚拟内存或改变已分配内存的当前状态。
用户若想通过VirtualAlloc（）函数使用虚拟内存，可以采用两种方式通知系统：
1）简单地将内存内容保存在地址空间内
2）请求系统返回带有物理存储区（RAM的空间或换页文件）的部分地址空间
用户可以用flAllocationType参数（commit和reserve）来定义这些方式，用户可以通知Windows按只读、读写、不可读写、执行或特殊方式来处理新的虚拟内存。
与VirtualAlloc（）函数对应的是VirtualFree（）函数，其作用是释放虚拟内存中的已调配页或保留页。
用户可利用dwFreeType参数将已调配页修改成保留页属性。
VirtualProtect（）是VirtualAlloc（）的一个辅助函数，利用它可以改变虚拟内存区的保护规范。
3.2实验目的
存储管理的主要功能之一是合理的分配空间。
请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。
本实验的目的是请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计，了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式存储管理的页面置换方法。
1）通过实验了解Windows2000内存的使用，学习如何在应用程序中管理内存，体会Windows应用程序内存的简单性和自我防护能力。
2）学习检查虚拟内存空间或对其进行操作。
3）了解Windows2000的内存结构和虚拟内存的管理，进而了解进程堆和Windows为使用内存而提供的一些扩展功能。
3.3实验内容与步骤
1、工具/准备工作
在开始本实验之前，请回顾教科书的相关内容。
您需要做以下准备：
1）一台运行Windows2000Professional操作系统的计算机。
2）计算机中需安装VisualC++6.0专业版或企业版。
2、虚拟内存的检测
清单3-2所示的程序使用VirtualQueryEX（）函数来检查虚拟内存空间。
步骤1：
登录进入Windows2000Professional。
步骤2：
在“开始”菜单中单击“程序”-“MicrosoftVisualStudio6.0”–“MicrosoftVisualC++6.0”命令，进入VisualC++窗口。
步骤3：
在工具栏单击“打开”按钮，在“打开”对话框中找到并打开实验源程序3-12.cpp。
清单3-1检测进程的虚拟地址空间
//工程vmwalker
#include
#include
#include
#include
#pragmacomment（lib,"Shlwapi.lib"）
//以可读方式对用户显示保护的辅助方法。
//保护标记表示允许应用程序对内存进行访问的类型
//以及操作系统强制访问的类型
inlineboolTestSet（DWORDdwTarget,DWORDdwMask）
{
return（（dwTarget&dwMask）==dwMask）;
}
#defineSHOWMASK（dwTarget,type）\
if（TestSet（dwTarget,PAGE_##type））\
{std:
:
cout<<","<<#type;}
voidShowProtection（DWORDdwTarget）
{
SHOWMASK（dwTarget,READONLY）;
SHOWMASK（dwTarget,GUARD）;
SHOWMASK（dwTarget,NOCACHE）;
SHOWMASK（dwTarget,READWRITE）;
SHOWMASK（dwTarget,WRITECOPY）;
SHOWMASK（dwTarget,EXECUTE）;
SHOWMASK（dwTarget,EXECUTE_READ）;
SHOWMASK（dwTarget,EXECUTE_READWRITE）;
SHOWMASK（dwTarget,EXECUTE_WRITECOPY）;
SHOWMASK（dwTarget,NOACCESS）;
}
//遍历整个虚拟内存并对用户显示其属性的工作程序的方法
voidWalkVM（HANDLEhProcess）
{
//首先，获得系统信息
SYSTEM_INFOsi;
:
:
ZeroMemory（&si,sizeof（si））;
:
:
GetSystemInfo（&si）;
//分配要存放信息的缓冲区
MEMORY_BASIC_INFORMATIONmbi;
:
:
ZeroMemory（&mbi,sizeof（mbi））;
//循环整个应用程序地址空间
LPCVOIDpBlock=（LPVOID）si.lpMinimumApplicationAddress;
while（pBlock{
//获得下一个虚拟内存块的信息
if（:
:
VirtualQueryEx（
hProcess,//相关的进程
pBlock,//开始位置
&mbi,//缓冲区
sizeof（mbi））==sizeof（mbi））//大小的确认
{
//计算块的结尾及其大小
LPCVOIDpEnd=（PBYTE）pBlock+mbi.RegionSize;
TCHARszSize[MAX_PATH];
:
:
StrFormatByteSize（mbi.RegionSize,szSize,MAX_PATH）;
//显示块地址和大小
std:
:
cout.fill（'0'）;
std:
:
cout
<:
hex<:
setw（8）<<（DWORD）pBlock
<<"-"
<:
hex<:
setw（8）<<（DWORD）pEnd
<<（:
:
strlen（szSize）==7?
"（":
"（"）<<<"）";
//显示块的状态
switch（mbi.State）
{
caseMEM_COMMIT:
std:
:
cout<<"Committed";
break;
caseMEM_FREE:
std:
:
cout<<"Free";
break;
caseMEM_RESERVE:
std:
:
cout<<"Reserved";
break;
}
//显示保护
if（mbi.Protect==0&&mbi.State!
=MEM_FREE）
{
mbi.Protect=PAGE_READONLY;
}
ShowProtection（mbi.Protect）;
//显示类型
switch（mbi.Type）{
caseMEM_IMAGE:
std:
:
cout<<",Image";
break;
caseMEM_MAPPED:
std:
:
cout<<",Mapped";
break;
caseMEM_PRIVATE:
std:
:
cout<<",Private";
break;
}
//检验可执行的影像
TCHARszFilename[MAX_PATH];
if（:
:
GetModuleFileName（
（HMODULE）pBlock,//实际虚拟内存的模块句柄
szFilename,//完全指定的文件名称
MAX_PATH）>0）//实际使用的缓冲区大小
{
//除去路径并显示
:
:
PathStripPath（szFilename）;
std:
:
cout<<",Module:
"<}
std:
:
cout<:
endl;
//移动块指针以获得下一下个块
pBlock=pEnd;
}
}
}
voidmain（）
{
//遍历当前进程的虚拟内存
:
:
WalkVM（:
:
GetCurrentProcess（））;
}
清单3-2中显示一个walkVM（）函数开始于某个进程可访问的最低端虚拟地址处，并在其中显示各块虚拟内存的特性。
虚拟内存中的块由VirsualQueryEX（）API定义成连续快或具有相同状态（自由区，已调配区等）的内存，并分配以一组统一的保护标志（只读、可执行等）。
步骤4：
单击“Build”菜单中的“Compile5-2.cpp”命令，并单击“是”按钮确认。
系统对5-2.cpp进行编译。
步骤5：
编译完成后，单击“Build”菜单中的“Build3-2.exe”命令，建立3-2.exe可执行文件。
操作能否正常进行？
如果不行，则可能的原因是什么？
操作能正常运行。
步骤6：
在工具栏单击“ExecuteProgram”（执行程序）按钮，执行3-2.exe程序。
1）分析运行结果（如果运行不成功，则可能的原因是什么）
按committed,reserved,free等三种虚拟地址空间分别记录实验数据，其中“描述”是对该组数据的简单描述，例如，对下列一组数据：
00010000-00012000<8.00KB>Committed,READWRITE,Private可描述为：
具有READWRITE权限的已调配私有内存区。
将系统当前的自由区（Free）虚拟地址空间填入表3-3中。
表3-3实验记录
地址
大小
虚拟空间类型
访问权限
描述
00012000-00020000
56.0KB
free
NOACCESS
没有任何权限的已调配的共有内存区
00021000-00030000
60.0KB
free
NOACCESS
没有任何权限的已调配的共有内存区
00135000-00140000
44.0KB
free
NOACCESS
没有任何权限的已调配的共有内存区
00266000-00270000
40.0KB
free
NOACCESS
没有任何权限的已调配的共有内存区
002b1000-002c0000
60.0KB
free
NOACCESS
没有任何权限的已调配的共有内存区
00301000-00310000
60.0KB
free
NOACCESS
没有任何权限的已调配的共有内存区
00316000-00320000
40.0KB
free
NOACCESS
没有任何权限的已调配的共有内存区
将系统当前的已调配区（Committed）虚拟地址空间填入表3-4中。
表3-4实验记录
地址
大小
虚拟空间类型
访问权限
描述
00010000-00012000
8.00KB
Committed
Private
只有具有READWRITE权限的已调配私有内存区
00020000-00021000
4.00KB
Committed
Private
只有具有READWRITE权限的已调配私有内存区
0012c000-0012d000
4.00KB
Committed
Private
具有GUARD,READEWRITE权限的已调配私有内存区
0012d000-00130000
12.0KB
Committed
Private
只有具有READWRITE权限的已调配私有内存区
00130000-00135000
20.0KB
Committed
Mapped
只有具有READONLY权限的已调配映射内存区
00140000-00147000
28.0KB
Committed
Private
只有具有READWRITE权限的已调配私有内存区
00240000-00243000
12.0KB
Committed
Mapped
只有具有READWRITE权限的已调配映射内存区
将系统当前的保留区（Reserved）虚拟地址空间填入表3-5中。
表3-5实验记录
地址
大小
虚拟空间类型
访问权限
描述
00030000-0012c000
0.98MB
Reserved
Private
只有具有READONLY权限的已调配私有内存区
00147000-00240000
996KB
Reserved
Private
只有具有READONLY权限的已调配私有内存区
00243000-00250000
52.0KB
Reserved
Mapped
只有具有READONLY权限的已调配映射内存区
00373000-00380000
52.0KB
Reserved
Private
只有具有READONLY权限的已调配私有内存区
00398000-003a0000
32.0KB
Reserved
Private
只有具有READONLY权限的已调配私有内存区
003c5000-003d0000
44.0KB
Reserved
Private
只有具有READONLY权限的已调配私有内存区
003d6000-003e0000
40.0KB
Reserved
Private
只有具有READONLY权限的已调配私有内存区
2）从上述输出结果，对照分析清单5-2的程序，请简单描述程序运行的流程：
该程序，从主函数出发，调用voidWalkVM（HANDLEhProcess）函数，voidWalkVM（HANDLEhProcess）函数先得系统信息，再分配应用程序地址空间，接下来就是做循环函数内做循环：
首先每次获得下一个虚拟程序内存的信息——计算块的结尾及其大小，然后再显示块的大小与位置，及其状态，显示保护方式显示类型，检查可执行的影像—除去文件名的路径并将文件名显示出来——移动块指针以获得下一个块，从新做循环。
3、虚拟内存的分配与释放
能正确使用系统函数GetMeoryStatus（）和数据结构MEMORY_STATUS了解系统内存和虚拟存储空间使用情况，会使用VirsualAlloc（）函数和VirsualFree（）函数分配和释放虚拟内存空间。
//GetMemoryStatus.cpp:
Definestheentrypointfortheconsoleapplication.
//
#include"stdafx.h"
#include"GetMemoryStatus.h"
#ifdef_DEBUG
#definenewDEBUG_NEW
#undefTHIS_FILE
staticcharTHIS_FILE[]=__FILE__;
#endif
voidGetMemSta（void）;
//Theoneandonlyapplicationobject
CWinApptheApp;
usingnamespacestd;
int_tmain（intargc,TCHAR*argv[],TCHAR*envp[]）
{
intnRetCode=0;
LPVOIDBaseAddr;
char*str;
GetMemSta（）;
printf（"NowAllocate32MVirsualMemoryand2MPhysicalMemory\n\n"）;
BaseAddr=:
:
VirtualAlloc（NULL,1024*1024*32,MEM_RESERVE|MEM_COMMIT,PAGE_READWRITE）;//分配虚拟内存
if（BaseAddr==NULL）printf（"VirsualAllocateFail.\n"）;
str=（char*）malloc（1024*1024*2）;//分配内存
GetMemSta（）;
printf（"NowRelease32MVirsualMemoryand2MPhysicalMemory\n\n"）;
if（:
:
VirtualFree（BaseAddr,0,MEM_RELEASE）==0）//释放虚拟内存
printf（"ReleaseAllocateFail.\n"）;
free（str）;//释放内存
GetMemSta（）;
returnnRetCode;
}
voidGetMemSta（void）
{
MEMORYSTATUSMemInfo;
GlobalMemoryStatus（&MemInfo）;
printf（"CurrentMemoryStatusis:
\n"）;
printf（"\tTotalPhysicalMemoryis%dMB\n",MemInfo.dwTotalPhys/（1024*1024））;
printf（"\tAvailablePhysicalMemoryis%dMB\n",MemInfo.dwAvailPhys/（1024*1024））;
printf（"\tTotalPageFileis%dMB\n",MemInfo.dwTotalPageFile/（1024*1024））;
printf（"\tAvailablePageFileis%dMB\n",MemInfo.dwAvailPageFile/（1024*1024））;
printf（"\tTotalVirtualMemoryis%dMB\n",MemInfo.dwTotalVirtual/（1024*1024））;
printf（"\tAvailableVirsualmemoryis%dMB\n",MemInfo.dwAvailVirtual/（1024*1024））;
printf（"\tMemoryLoadis%d%%\n\n",MemInfo.dwMemoryLoad）;
}
步骤1：
在VC6.0环境下选择Win32ConsoleApplication建立一个控制台工程文件，选择AnapplicationthatSupportsMFC。
步骤2：
编辑并编译完成后，单击“Build”菜单中的“BuildGetMemoryStatus.exe”命令，建立GetMemoryStatus.exe可执行文件。
操作能否正常进行？
如果不行，则可能的原因是什么？
操作能正常进行。
步骤3：
在工具栏单击“ExecuteProgram”按钮，执行
升级会员 