1、操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)WRK內(nèi)存管理試驗(yàn)姓名：莫金博班級(jí)：08級(jí)計(jì)算機(jī)1班學(xué)號(hào)：20086789一.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容描述1.目的（1）了解Windows內(nèi)存管理器（2）理解Windows的地址過(guò)程2.內(nèi)容 任意給出一個(gè)虛擬地址，通過(guò)WinDbg觀察相關(guān)數(shù)據(jù)并找到其物理地址二.理論分析Windows采用頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)管理內(nèi)存，頁(yè)面是硬件級(jí)別上的最小保護(hù)單位1.Windows內(nèi)存管理器Windows的內(nèi)存管理主要由Windows執(zhí)行體中的虛存管理程序負(fù)責(zé)，并由環(huán)境子系統(tǒng)負(fù)責(zé)，并由環(huán)境子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與具體API相關(guān)的一些用戶態(tài)特性的實(shí)現(xiàn)。虛存管理程序是Windows中負(fù)責(zé)內(nèi)存管理的那些子程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合

2、內(nèi)存管理器的主要任務(wù)是：地址變換：將一個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間轉(zhuǎn)譯為物理內(nèi)存地址交換：當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)，將內(nèi)存中的有些內(nèi)容轉(zhuǎn)移到磁盤(pán)上，并且以后還要再次將這些內(nèi)容讀回2.Windows內(nèi)存管理策略Windows采用頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)管理內(nèi)存，頁(yè)面是硬件級(jí)別上最小的保護(hù)單位。根據(jù)硬件的體系結(jié)構(gòu)不同，頁(yè)面尺寸被分為兩種，大頁(yè)面和小頁(yè)面。X86系統(tǒng)下小頁(yè)面為4KB，大頁(yè)面為4MB。大頁(yè)面的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)引用同一頁(yè)面內(nèi)其他數(shù)據(jù)時(shí)，地址轉(zhuǎn)移的速度會(huì)很快。不過(guò)使用大頁(yè)面通常要較大的內(nèi)存空間，而且必須用一個(gè)單獨(dú)的保護(hù)項(xiàng)來(lái)映射，因此可能會(huì)造成出現(xiàn)錯(cuò)誤而不引發(fā)內(nèi)存訪問(wèn)違例的情況。通常PC機(jī)都為小頁(yè)面3.Windows虛擬

3、地址空間布局x86結(jié)構(gòu)下的布局方式：默認(rèn)情況下，32位Windows系統(tǒng)中每個(gè)用戶進(jìn)程可以占有2GB的私有地址空間。操作系統(tǒng)占有另外的2GB2GB用戶的進(jìn)程地址空間布局如表：2GB的系統(tǒng)地址空間布局如同：3.虛擬地址轉(zhuǎn)譯地址轉(zhuǎn)譯是指將進(jìn)程的虛擬地址空間映射到實(shí)際物理頁(yè)面的過(guò)程。x86系統(tǒng)中地址轉(zhuǎn)譯過(guò)程如圖：關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：頁(yè)目錄：每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)頁(yè)目錄，它是內(nèi)存管理器為了映射進(jìn)程中所有的頁(yè)表位置而創(chuàng)建的一個(gè)頁(yè)面。進(jìn)程也目錄的地址被保存在內(nèi)核進(jìn)程快KPROCESS中，在x86系統(tǒng)上，它被映射到虛擬地址0xC0300000，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在執(zhí)行時(shí)，CPU可以通過(guò)寄存器CR3知道該進(jìn)程頁(yè)目錄的位置。

4、頁(yè)目錄由目錄項(xiàng)（PDE）構(gòu)成，每個(gè)PDE長(zhǎng)4字節(jié)，描述了該進(jìn)程中所有可能的頁(yè)表的狀態(tài)和位置。其格式和PTE類似。x86系統(tǒng)上，要描述完整的4GB虛擬地址空間，需要1024個(gè)頁(yè)表。因此映射這些頁(yè)表的進(jìn)程頁(yè)目錄需包含1024個(gè)PDE，恰好占用一個(gè)頁(yè)面。頁(yè)表：進(jìn)程的頁(yè)目錄項(xiàng)指向頁(yè)表。每個(gè)頁(yè)表占用一個(gè)頁(yè)面，由1024項(xiàng)PTE組成。一個(gè)有效的PTE大小為4字節(jié)，包含兩個(gè)主域：數(shù)據(jù)所在的物理頁(yè)面的頁(yè)面幀編號(hào)（PNF）或者內(nèi)存中一個(gè)頁(yè)面的物理地址的PFN；一些描述該頁(yè)面狀態(tài)和保護(hù)屬性的標(biāo)志。虛擬地質(zhì)結(jié)構(gòu)：x86系統(tǒng)上，一個(gè)32位虛擬地址被解釋為三個(gè)單獨(dú)的部分，頁(yè)目錄索引、頁(yè)表索引和字節(jié)索引。由于頁(yè)目錄項(xiàng)有1

5、024個(gè)，因此頁(yè)目錄索引為10位；一個(gè)也表中含有1024個(gè)PTE。因此頁(yè)表索引也為10位，字節(jié)索引為12位，正好表示一頁(yè)（4KB）內(nèi)容三.實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果1.查找頁(yè)目錄首地址以程序WG.exe作為觀測(cè)對(duì)象。啟動(dòng)WinDbg到內(nèi)核調(diào)試模式，運(yùn)行程序WG.exe。終斷目標(biāo)機(jī)運(yùn)行，輸入命令：kd>!process發(fā)現(xiàn)WG.exe進(jìn)程正處于運(yùn)行狀態(tài)輸入命令：在KPROCESS中名為DirectoryTableBase的域，對(duì)應(yīng)值為0x9fa6000，即WG.exe進(jìn)程頁(yè)目錄的物理地址查看CR3寄存其中的內(nèi)容，輸入命令：CR3寄存其中的值和KPROCESS中記錄的頁(yè)目錄基址相同。這是因?yàn)樵贑PU切換

6、執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其內(nèi)容要更新為當(dāng)前進(jìn)程的頁(yè)目錄基址。2.地址轉(zhuǎn)譯過(guò)程假設(shè)給定的虛擬地址為0x401001輸入命令：可以看到：PDE的虛擬地址為C0300004.PTE的虛擬地址為C0001004最后一行信息“pfn 9e4a-DA-UWEV”表示PDE中的具體內(nèi)容，9e4a是給定虛擬地址所在頁(yè)表在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)，“-DAUWEV”是標(biāo)志信息，“pfn a173 -A-UREV”表示PTE中的具體內(nèi)容，a173是數(shù)據(jù)頁(yè)裝入內(nèi)存的物理頁(yè)號(hào)。將數(shù)據(jù)頁(yè)對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)a173加上業(yè)內(nèi)索引（0x1）即可得到虛擬地址0x401001的物理地址3.觀察系統(tǒng)頁(yè)表給定觀測(cè)虛擬地址為0x80001001輸入命令：

7、當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程是：WG.exe輸入命令：得到PDE為C0300800，其對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)為3b繼續(xù)讓目標(biāo)機(jī)運(yùn)行，啟動(dòng)A.exe，然后中斷目標(biāo)機(jī)運(yùn)行。輸入命令：當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程為A.exe輸入命令：PDE信息和對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)與前面觀測(cè)到的相同四.結(jié)論1.數(shù)據(jù)頁(yè)對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)加上相應(yīng)業(yè)內(nèi)索引即可得到虛擬地址的物理地址2.不同的進(jìn)程頁(yè)目錄都指向了相同的系統(tǒng)表頁(yè)五.心得體會(huì)在這次上機(jī)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)WinDbg和VPc的調(diào)試運(yùn)用，我熟悉了Windows內(nèi)存管理器的結(jié)構(gòu)，也認(rèn)知到Windows如何進(jìn)行地址轉(zhuǎn)譯和轉(zhuǎn)換。對(duì)相關(guān)的知識(shí)也進(jìn)行了溫習(xí)，更牢的掌握了相關(guān)知識(shí)。當(dāng)然這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我以后還要繼續(xù)不斷努

8、力，去學(xué)習(xí)了解掌握操作系統(tǒng)的各方面知識(shí)。附錄：1.A.exe代碼#include<windows.h>#include<stdio.h>#define N 1HANDLE mutexSemaphore;HANDLE synchSemaphore_1;HANDLE synchSemaphore_2;HANDLE mutexDisplay;void Display(char*str,int delayTime) if(WaitForSingleObject(mutexDisplay,INFINITE)=WAIT_OBJECT_0) printf("%snn&quo

9、t;,str); ReleaseMutex(mutexDisplay); Sleep(delayTime); void useTime(double limit) for(double i=0;i<=limit;i+=0.001); void CreateProduct() Display("Creating a production.",0); useTime(200000); Display("Creating finished.",100); void PutProduct() Display("Putting a producti

10、on.",0); useTime(150000); Display("Putting finished",100); void GetProduct() Display("Getting a production.",0); useTime(100000); Display("Getting finished.",100); void ConsumeProduct() Display("Cosuming a production.",0); useTime(100000); Display("C

11、osuming finished.",100); void Producer() while(true) CreateProduct(); if(WaitForSingleObject(synchSemaphore_1,INFINITE)=WAIT_OBJECT_0) if(WaitForSingleObject(mutexSemaphore,INFINITE)=WAIT_OBJECT_0) PutProduct(); ReleaseSemaphore(mutexSemaphore,1,NULL); ReleaseSemaphore(synchSemaphore_2,1,NULL);

12、 void Consumer() while(true) if(WaitForSingleObject(synchSemaphore_2,INFINITE)=WAIT_OBJECT_0) if(WaitForSingleObject(mutexSemaphore,INFINITE)=WAIT_OBJECT_0) GetProduct(); ReleaseSemaphore(mutexSemaphore,1,NULL); ReleaseSemaphore(synchSemaphore_1,1,NULL); ConsumeProduct(); int main() HANDLE thread2;

13、DWORD threadID2; synchSemaphore_1=CreateSemaphore(NULL,N,N,NULL); synchSemaphore_2=CreateSemaphore(NULL,0,N,NULL); mutexSemaphore=CreateSemaphore(NULL,1,1,NULL); mutexDisplay=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL); printf("Program start.Please use WinDbg to observe main thread.nPress any key to continue.

14、n"); getchar(); thread0=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)(Producer),NULL,CREATE_SUSPENDED,&threadID0); printf("A producer was created.Please use WinDbg to observe producer thread.nPress any key to continue.n"); getchar(); thread1=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUT

15、INE)(Consumer),NULL,CREATE_SUSPENDED,&threadID1); printf("A Consumer was created.Please use WinDbg to observe Consumer thread.nPress any key to continue.n"); getchar(); printf("Please select:n1Make producer thread runn2Make Consumer thread runn"); bool flag=true; bool flag_1=true,flag_2=true; int count=0; while(flag) if(getchar()='1'&&flag_1) ResumeThread(thread0); count+; flag_1=false; else if(getchar()='2'