操作系統(tǒng)課程設計內存管理

內存管理模擬實驗目標：本實驗的目的是從不同側面了解Windows2000/XP對用戶進程的虛擬內存空間的管理、分配方法。同時需要了解跟蹤程序的編寫方法(與被跟蹤程序保持同步，使用Windows提供的信號量)。對Windows分配虛擬內存、改變內存狀態(tài)，以及對物理內存(physicalmemory)和頁面文件(pagefile)狀態(tài)查詢的API函數(shù)的功能、參數(shù)限制、使用規(guī)則要進一步了解。默認情況下，32位Windows2000/XP上每個用戶進程可以占有2GB的私有地址空間，操作系統(tǒng)占有剩下的2GBoWindows2000/XP在X86體系結構上利用二級頁表結構來實現(xiàn)虛擬地址向物理地址的變換。一個32位虛擬地址被解釋為三個獨立的分量一一頁目錄索引、頁表索引和字節(jié)索引一一它們用于找出描述頁面映射結構的索引。頁面大小及頁表項的寬度決定了頁目錄和頁表索引的寬度。實驗要求：使用Windows2000/XP的API函數(shù)，編寫一個包含兩個線程的進程，一個線程用于模擬內存分配活動，一個線程用于跟蹤第一個線程的內存行為，而且要求兩個線程之間通過信號量實現(xiàn)同步。模擬內存活動的線程可以從一個文件中讀出要進行的內存操作，每個內存操作包括如下內容：時間：操作等待時間。塊數(shù)：分配內存的粒度。操作：包括保留(reserve)一個區(qū)域、提交(commit)一個區(qū)域、釋放(release)一個區(qū)域、回收(decommit)一個區(qū)域和加鎖(lock)與解鎖(unlock)一個區(qū)域，可以將這些操作編號存放于文件。保留是指保留進程的虛擬地址空間，而不分配物理存儲空間。提交在內存中分配物理存儲空間。回收是指釋放物理內存空間，但在虛擬地址空間仍然保留，它與提交相對應，即可以回收已經提交的內存塊。釋放是指將物理存儲和虛擬地址空間全部釋放，它與保留(reserve)相對應，即可以釋放已經保留的內存塊。大?。簤K的大小。訪問權限：共五種，分別為PAGE_READONLYPAGE_READWRITE，PAGE_EXECUTE，PAGE_EXECUTE_READ和PAGEEXETUTE_READWRITE?？梢詫⑦@些權限編號存放于文件中跟蹤線程將頁面大小、已使用的地址范圍、物理內存總量，以及虛擬內存總量等信息顯示出來。三、主要內容設計思路Windows進程的虛擬地址空間中也有三種狀態(tài)的頁面：空閑頁面、保留頁面和提交頁面。空閑(Free)頁面：空閑頁面是指那些可以保留或提交的可用頁面。保留(Reserved)頁面：保留頁面是邏輯頁面巳分配但沒有分配物理存儲的頁面。設置這種狀態(tài)的效果是可以保留一部分虛擬地址，這樣，如果不預先釋放這些地址，就不能被其他應用程序(如Malloc,LocalAlloc等)的操作所使用。試圖讀或寫空閑頁面或保留頁面將導致頁面出錯異常。保留頁面可被釋放或提交。提交(Committed)頁面：提交頁面是物理存儲(在內存中或磁盤上)巳被分配的頁面。可對它加以保護，不許訪問或允許只讀訪問，或允許讀寫訪問。提交也可以被回收以釋放存儲空間，從而變成保留頁面。在本實驗中，首先創(chuàng)建工程makefile生成隨機輸入文件，其中包含對內存要求作的各種操作；然后創(chuàng)建工程MemoryAllocation，實現(xiàn)輸入文件所要求的各項內存管理操作。主要數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)內存在管理的主要API函數(shù)有：GetSystemInfo函數(shù)功能：返回當前系統(tǒng)信息，存放入lpSystemInfo中。GlobalMemoryStatus函數(shù)功能：獲得計算機系統(tǒng)中當前使用的物理內存和虛擬內存的信息。使用GlobalMemoryStatus函數(shù)可以判斷應用程序能夠分配多少與其它應用程序不沖突的內存空間。但GlobalMemoryStatus函數(shù)返回的信息是不穩(wěn)定的，我們不能保證兩次調用該函數(shù)都能返回到相同的信息。VirtualQuery函數(shù)功能：提供有關調用進程虛擬窨中的頁面信息.VirtualAlloc函數(shù)功能：在調用進程的虛擬地址中保留或提交頁面。除非設置了MEM_RESET標志，否則被這個函數(shù)分配的內存單元被自動初始化為0。VirtualAllocEX函數(shù)功能：使用該函數(shù)可以保留、提交或者保留和提交進程虛擬空間的頁面的基址，否則返回NULL。VirtualFree函數(shù)功能：可以釋放或注銷調用進程虛擬空間中的頁面。成功則返回一個非零值，否則返回零值。VirtualFreeEx函數(shù)功能：該函數(shù)可以釋放或注銷指定進程虛擬空間中的頁面。VirtualFreeEx函數(shù)和VirtualFree函數(shù)區(qū)別是：VirtualFree函數(shù)釋放調用進程的地址空間，而VirtualFreeEx函數(shù)可以釋放任意指定的進程的地址空間。如果函數(shù)調用成功則返回非零值，否則返回零值。VirtualLock功能：該函數(shù)可以將進程虛擬空間中的內存加鎖。以確保后面的對該區(qū)域的存取操作不會失敗。成功則返回一個非零值，否則返回一個零值。VirtualUnlock功能：該函數(shù)可以將進程虛擬空間指定范圍內的頁面解鎖，從以系統(tǒng)在必要時可以將這些頁面換出到頁面文件中。函數(shù)調用成功則返回一個非零值，否則返回零值。主要代碼段首先，定義兩個結構體structoperation和structtrace，分別記錄對內存的操作信息和跟蹤每一次分配活動，并為之分別定義信號量allo和rac，以實現(xiàn)對內存操作的互斥。具體實現(xiàn)用函數(shù)WaitForSingleObject(trac,INFINITE)和ReleaseSemaphore(allo,1,NULL)來實現(xiàn)。函數(shù)DWORDTracker(LPDWORDlpdwparm)用以跟蹤allocator線程的內存行為，并輸出必要信息。函數(shù)voidAllocator()用以模擬內存分配活動的線程。主要代碼結構1)makefile.cpp〃文件生成程序include<fstream.h>include<stdio.h>include<stdlib.h>include<time.h>structoperation{inttime;〃起始時間intblock;〃內存頁數(shù)intoper;〃操作intprotection;〃權限};intmain(){FILE*file;file=fopen("opfile”,"wb”);//"opfile”為二進制文件用以確定內存操作operationop;for(intj=0;j<6;j++)//0--保留，1--提交，2--鎖，3--解鎖，4--回收，5--釋放for(inti=0;i<5;i++)//0_READONLY;//1_READWRITE;//2_EXECUTE;//3_EXECUTE_READ;//4_EXECUTE_READWRITE;{op.time=rand()%1000;〃隨機生成等待時間op.block=rand()%5+1;〃隨機生成塊大小op.oper=j;tection=i;fwrite(&op,sizeof(operation),1,file);〃將生成的結構寫入文件}return0;}2)memory_op.cpp〃從文件讀入每次的操作，并將結果輸出到。ut.txt文件中include<stdio.h>include<stdlib.h>include<windows.h>include<iostream.h>include<fstream.h>structoperation{inttime;〃起始時間intblock;〃內存頁數(shù)intoper;〃操作intprotection;〃權限};structtrace〃跟蹤每一次分配活動的數(shù)據(jù)結構{LPVOIDstart;〃起始地址longsize;〃分配的大小};HANDLEallo,trac;〃信號量句柄DWORDTracker(LPDWORDlpdwparm)//跟蹤allocator線程的內存行為，并輸出必要信息(ofstreamoutfile;〃輸出文件outfile.open("out.txt");for(inti=0;i<=30;i++)(WaitForSingleObject(trac,INFINITE);〃等待allocator一次內存分配活動結束〃打印內存狀況和系統(tǒng)狀況outfile<<i<<endl;〃以下一段顯示系統(tǒng)信息，每次執(zhí)行操作后系統(tǒng)信息不變SYSTEM_INFOinfo;〃系統(tǒng)消息GetSystemInfo(&info);outfile<<"dwActiveProcessorMask"<<"\t"<<info.dwActiveProcessorMask<<endl;outfile<<"dwAllocationGranularity"<<"\t"<<info.dwAllocationGranularity<<endl;outfile<<"dwNumberOfProcessors"<<"\t"<<info.dwNumberOfProcessors<<endl;outfile<<"dwOemId"<<"\t"<<info.dwOemId<<endl;outfile<<"dwPageSize"<<"\t"<<info.dwPageSize<<endl;outfile<<"dwProcessorType"<<"\t"<<info.dwProcessorType<<endl;outfile<<"lpMaximumApplicationAddress"<<"\t"<<info.lpMaximumApplicationAddress<<endl;outfile<<"lpMinimumapplicationAddress"<<"\t"<<info.lpMinimumApplicationAddress<<endl;outfile<<"wProcessorArchitecture"<<"\t"<<info.wProcessorArchitecture<<endl;outfile<<"wProcessorLevel"<<"\t"<<info.wProcessorLevel<<endl;outfile<<"wProcessorRevision"<<"\t"<<info.wProcessorRevision<<endl;outfile<<"wReserved"<<"\t"<<info.wReserved<<endl;outfile<<"************************************************************"<<endl;〃內存狀況MEMORYSTATUSstatus;/內存狀態(tài)GlobalMemoryStatus(&status);outfile<<"dwAvailPageFile"<<"\t"<<status.dwAvailPageFile<<endl;outfile<<"dwAvailPhys"<<"\t"<<status.dwAvailPhys<<endl;outfile<<"dwAvailVirtual"<<"\t"<<status.dwAvailVirtual<<endl;outfile<<"dwLength"<<"\t"<<status.dwLength<<endl;outfile<<"dwMemoryLoad"<<"\t"<<status.dwMemoryLoad<<endl;outfile<<"dwTotalPageFile"<<"\t"<<status.dwTotalPageFile<<endl;outfile<<"dwTotalPhy"<<"\t"<<status.dwTotalPhys<<endl;outfile<<"dwTotalVirtual"<<"\t"<<status.dwTotalVirtual<<endl;outfile<<"**************************************************"<<endl;〃以下一段顯示內存基本信息，每次操作后內存基本信息不變MEMORY_BASIC_INFORMATIONmem;//內存基本信息VirtualQuery(info.lpMinimumApplicationAddress,&mem,sizeof(MEMORY_BASIC_INFORMATION));outfile<<"AllocationBase"<<"\t"<<mem.AllocationBase<<endl;outfile<<"AllocationProtect"<<"\t"<<mem.AllocationProtect<<endl;outfile<<"BaseAddress"<<"\t"<<mem.BaseAddress<<endl;outfile<<"Protect"<<"\t"<<mem.Protect<<endl;outfile<<"RegionSize"<<"\t"<<mem.RegionSize<<endl;outfile<<"State"<<"\t"<<mem.State<<endl;outfile<<"Type"<<"\t"<<mem.Type<<endl;outfile<<"*********************************************************"<<endl;〃釋放信號量通知allocator可以執(zhí)行下一次內存分配活動ReleaseSemaphore(allo,1,NULL);}return0;}voidAllocator()//模擬內存分配活動的線程{tracetraceArray[5];intindex=0;FILE*file;file=fopen("opfile”,"rb”);operationop;SYSTEM_INFOinfo;DWORDtemp;GetSystemInfo(&info);for(inti=0;i<30;i++){WaitForSingleObject(allo,INFINITE);〃等待tracker打印結束的信號量cout<<i<<”:";fread(&op,sizeof(operation),1,file);Sleep(op.time);//執(zhí)行時間，如果想在指定的時間可以取消注釋GetSystemInfo(&info);switch(tection)〃根據(jù)文件內容確定權限{case0:{index=0;temp=PAGE_READONLY;break;}case1:temp=PAGE_READWRITE;break;case2:temp=PAGE_EXECUTE;break;case3:temp=PAGE_EXECUTE_READ;break;case4:temp=PAGE_EXECUTE_READWRITE;break;default:temp=PAGE_READONLY;}switch(op.oper){case0:〃保留一個區(qū)域{cout<<"reservenow"<<endl;traceArray[index].start=VirtualAlloc(NULL,op.block*info.dwPageSize,MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS);traceArray[index++].size=op.block*info.dwPageSize;cout<<"startingaddress:"<<traceArray[index-1].start<<"\t"<<"size:"<<traceArray[index-1].size<<endl;break;}case1:〃提交一個區(qū)域{cout<<"commitnow"<<endl;traceArray[index].start=VirtualAlloc(traceArray[index].start,traceArray[index].size,MEM_COMMIT,temp);index++;cout<<"startingaddress:"<<traceArray[index-1].start<<"\t"<<"size:"<<traceArray[index-1].size<<endl;break;}case2:〃鎖住一個區(qū)域{cout<<"locknow"<<endl;cout<<"startingaddress:"<<traceArray[index].start<<"size:"<<traceArray[index].size<<endl;if(!VirtualLock(traceArray[index].start,traceArray[index++].size))cout<<GetLastError()<<endl;〃函數(shù)返回錯誤號break;}case3:〃解鎖一個區(qū)域{cout<<"unlocknow"<<endl;cout<<"startingaddress:"<<traceArray[index].start<<"\t"<<"size:"<<traceArray[index].size<<endl;if(!VirtualUnlock(traceArray[index].start,traceArray[index++].size))cout<<GetLastError()<<endl;break;}case4:〃回收一個區(qū)域{cout<<"decommitnow"<<endl;cout<<"startingaddress:"<<traceArray[index].start<<"\t”<<"size:"<<traceArray[index].size<<endl;if(!VirtualFree