1、內(nèi)存管理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：本實(shí)驗(yàn)的目的是從不同側(cè)面了解Windows 2000/XP對(duì)用戶(hù)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間的管理、分配方法。同時(shí)需要了解跟蹤程序的編寫(xiě)方法（與被跟蹤程序保持同步，使用Windows提供的信號(hào)量）。對(duì)Windows分配虛擬內(nèi)存、改變內(nèi)存狀態(tài)，以及對(duì)物理內(nèi)存（physical memory）和頁(yè)面文件（pagefile）狀態(tài)查詢(xún) 的API函數(shù)的功能、參數(shù)限制、使用規(guī)則要進(jìn)一步了解。默認(rèn)情況下，32位 Windows 2000/XP上每個(gè)用戶(hù)進(jìn)程可以占有 2GB的私有地址空間，操作系統(tǒng) 占有剩下的2GB o Windows 2000 /XP在X86體系結(jié)構(gòu)上利用二級(jí)頁(yè)表結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬地

2、址向物理地址 的變換。一個(gè) 32位虛擬地址被解釋為三個(gè)獨(dú)立的分量一一頁(yè)目錄索引、頁(yè)表索引和字節(jié)索引一一它們 用于找出描述頁(yè)面映射結(jié)構(gòu)的索引。頁(yè)面大小及頁(yè)表項(xiàng)的寬度決定了頁(yè)目錄和頁(yè)表索引的寬度。實(shí)驗(yàn)要求：使用 Windows 2000/XP的API函數(shù)，編寫(xiě)一個(gè)包含兩個(gè)線(xiàn)程的進(jìn)程， 一個(gè)線(xiàn)程用于模擬內(nèi)存分配活動(dòng)，一個(gè)線(xiàn)程用于跟蹤第一個(gè)線(xiàn)程的內(nèi)存行為， 而且要求兩個(gè)線(xiàn)程之間通過(guò)信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步。模擬內(nèi)存活動(dòng)的線(xiàn)程可以從一個(gè) 文件中讀出要進(jìn)行的內(nèi)存操作，每個(gè)內(nèi)存操作包括如下內(nèi)容： 時(shí)間：操作等待時(shí)間。塊數(shù)：分配內(nèi)存的粒度。操作：包括保留（reserve一個(gè)區(qū)域、提交（commit） 個(gè)區(qū)域、釋放（re

3、lease一個(gè) 區(qū)域、回收（decommit）一個(gè)區(qū)域和加鎖（lock）與解鎖（unlock） 個(gè)區(qū)域，可以將 這些操作編號(hào)存放于文件。保留是指保留進(jìn)程的虛擬地址空間，而不分配物理存儲(chǔ)空間。提交在內(nèi)存中分配物理存儲(chǔ)空間?；厥帐侵羔尫盼锢韮?nèi)存空間，但在虛擬地址空間仍然保留，它與提交相對(duì)應(yīng)，即可以回收已經(jīng)提交的內(nèi)存塊。釋放是指將物理存儲(chǔ)和虛擬地址空間全部釋放，它與保留（reserve相對(duì)應(yīng)，即可以釋放已經(jīng)保留的內(nèi)存塊。大小：塊的大小。訪(fǎng) 問(wèn) 權(quán) 限： 共五 種， 分別 為PAGE_READONLY,PAGE_READWRITE， PAGE_EXECUTE，PAGE_EXECUTE_READ 禾口

4、PAGE EXETUTE_READWRITE?？梢詫⑦@些權(quán)限編號(hào)存放于文件中跟蹤線(xiàn)程將頁(yè)面大小、已使用的地址范圍、物理內(nèi)存總量，以及虛擬內(nèi)存總量等信息顯示出來(lái)。三、主要內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)思路Windows進(jìn)程的虛擬地址空間中也有三種狀態(tài)的頁(yè)面：空閑頁(yè)面、保留頁(yè)面和提交頁(yè)面?？臻e(Free)頁(yè)面：空閑頁(yè)面是指那些可以保留或提交的可用頁(yè)面。保留(Reserved)頁(yè)面：保留頁(yè)面是邏輯頁(yè)面已分配但沒(méi)有分配物理存儲(chǔ)的頁(yè)面。設(shè)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(yù)先釋放 這些地址，就不能被其他應(yīng)用程序(如Malloc，LocalAlloc等)的操作所使用。試圖讀或?qū)懣臻e頁(yè)面或保留頁(yè)面將導(dǎo)致

5、頁(yè)面出錯(cuò)異常。保留頁(yè)面可被釋放或提交。提交(Committed)頁(yè)面：提交頁(yè)面是物理存儲(chǔ)(在內(nèi)存中或磁盤(pán)上)已被分配的頁(yè)面。可對(duì)它加以保護(hù)，不許訪(fǎng)問(wèn)或允許只讀訪(fǎng)問(wèn)，或允許讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。提交 也可以被回收以釋放存儲(chǔ)空間，從而變成保留頁(yè)面。在本實(shí)驗(yàn)中，首先創(chuàng)建工程 makefile生成隨機(jī)輸入文件，其中包含對(duì)內(nèi)存要求作的各種操作；然后 創(chuàng)建工程MemoryAllocation，實(shí)現(xiàn)輸入文件所要求的各項(xiàng)內(nèi)存管理操作。2. 主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存在管理的主要 API函數(shù)有：GetSystemlnfo函數(shù)功能：返回當(dāng)前系統(tǒng)信息存放入lpSystemInfo中。GlobalMemoryStatus函數(shù)功能：獲得

6、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中當(dāng)前使用的物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存的信息。使用GlobalMemoryStatus函數(shù)可以判斷應(yīng)用程序能夠分配多少與其它應(yīng)用程序不沖突的內(nèi)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(diào)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(guān)調(diào)用進(jìn)程虛擬窨中的頁(yè)面信息VirtualAlloc函數(shù)功能：在調(diào)用進(jìn)程的虛擬地址中保留或提交頁(yè)面。除非設(shè)置了MEM_RESET標(biāo)志，否則被這個(gè)函數(shù)分配的內(nèi)存單元被自動(dòng)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(jìn)程虛擬空間的頁(yè)面的基址，否則返回NUL

7、L。VirtualFree函數(shù)功能：可以釋放或注銷(xiāo)調(diào)用進(jìn)程虛擬空間中的頁(yè)面。成功則返回一個(gè)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(xiāo)指定進(jìn)程虛擬空間中的頁(yè)面。VirtualFreeEx函數(shù)和 VirtualFree函數(shù)區(qū)別是：VirtualFree函數(shù)釋放調(diào)用進(jìn)程的地址空間，而VirtualFreeEx函數(shù)可以釋放任意指定的進(jìn)程的地址空間。如果函數(shù)調(diào)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(jìn)程虛擬空間中的內(nèi)存加鎖。以確保后面的對(duì)該區(qū)域的存取操作不會(huì)失敗。成功則 返回一個(gè)非零值，否則返回一個(gè)零值。VirtualUnlock功能

8、：該函數(shù)可以將進(jìn)程虛擬空間指定范圍內(nèi)的頁(yè)面解鎖，從以系統(tǒng)在必要時(shí)可以將這些頁(yè)面換出 到頁(yè)面文件中。函數(shù)調(diào)用成功則返回一個(gè)非零值，否則返回零值。3. 主要代碼段首先，定義兩個(gè)結(jié)構(gòu)體struct operation和struct trace，分別記錄對(duì)內(nèi)存的操作信息和跟蹤每一次分配 活動(dòng)，并為之分別定義信號(hào)量allo和rac，以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存操作的互斥。具體實(shí)現(xiàn)用函數(shù) WaitForSingleObject (trac,INFINITE)和 ReleaseSemaphore (allo,1,NULL)來(lái)實(shí)現(xiàn)。函數(shù)DWORD Tracker (LPDWORD lpdwparm) 用以跟蹤allocato

9、r線(xiàn)程的內(nèi)存行為，并輸出必要信息。 函數(shù)void Allocator ()用以模擬內(nèi)存分配活動(dòng)的線(xiàn)程。4. 主要代碼結(jié)構(gòu)1)makefile.cpp/文件生成程序# include <fstream.h># include <stdio.h># include <stdlib.h># include <time.h>struct operationint time;/起始時(shí)間int block;/內(nèi)存頁(yè)數(shù)int oper;操作int protection; / 權(quán)限;int main ()FILE* file;file=fopen ("

10、opfile","wb"); /"opfile"為二進(jìn)制文件用以確定內(nèi)存操作 operation op;for (int j=0;j<6;j+)/0-保留，1-提交，2-鎖，3-解鎖，4-回收，5-釋放for (int i=0;i<5;i+)0-PAGE_READONLY;1-PAGE_READWRITE;2-PAGE_EXECUTE;3-PAGE_EXECUTE_READ;/4-PAGE_EXECUTE_READWRITE;op.time=rand()%1000;隨機(jī)生成等待時(shí)間op.block=rand()%5+1;隨機(jī)生成塊大

11、小op.oper=j;tection=i;fwrite (&op,sizeof(operation),1,file);/ 將生成的結(jié)構(gòu)寫(xiě)入文件return 0;2) memory_op.cpp# include <stdio.h># include <stdlib.h># include <windows.h># include <iostream.h># include <fstream.h>struct operationint time;/起始時(shí)間int block;內(nèi)存頁(yè)數(shù)int oper;操作int pr

12、otection;/ 權(quán)限;struct trace 跟蹤每一次分配活動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LPVOID start; / 起始地址long size;/分配的大小;HANDLE allo,trac;/ 信號(hào)量句柄DWORD Tracker (LPDWORD lpdwparm) /跟蹤allocator線(xiàn)程的內(nèi)存行為，并輸出必要信息 ofstream outfile; / 輸出文件outfile.open ("out.txt");for (int i=0;i<=30;i+)WaitForSingleObject (trac,INFINITE);等待 allocator 一次內(nèi)存

13、分配活動(dòng)結(jié)束/打印內(nèi)存狀況和系統(tǒng)狀況outfilevvivvendl;/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_INFO info; / 系統(tǒng)消息GetSystemInfo (&i nfo); outfilevv"dwActiveProcessorMask"vv"t"vvinfo.dwActiveProcessorMaskvvendl;outfilevv"dwAllocationGranularity"vv"t"vvinfo.dwAllocationGranularityvvendl;

14、 outfilevv"dwNumberOfProcessors"vv"t"vvinfo.dwNumberOfProcessorsvvendl;outfilevv"dwOemld"vv"t"vvinfo.dwOemldvvendl; outfilevv"dwPageSize"vv"t"vvinfo.dwPageSizevvendl;outfilevv"dwProcessorType"vv"t"vvinfo.dwProcessorTypev

15、vendl; outfilevv"lpMaximumApplicationAddress"vv"t"vvinfo .l pMaximumApplicationAddressvvendl; outfilevv"lpMinimumapplicationAddress"vv"t"vvinfo .l pMinimumApplicationAddressvvendl; outfilevv"wProcessorArchitecture"vv"t"vvinfo.wProcessorArch

16、itecturevvendl;outfile<v"wProcessorLevel"vv"t"vvinfo.wProcessorLevelv<endl;outfile<v"wProcessorRevision"vv"t"vvinfo.wProcessorRevisionvvendl;outfilevv"wReserved"vv"t"vvinfo.wReservedvvendl;outfilevv'l*l'vvendl;內(nèi)存狀況MEMORYSTA

17、TUS status; / 內(nèi)存狀態(tài)GlobalMemoryStatus (&status); outfilevv"dwAvailPageFile"vv"t"vvstatus.dwAvailPageFilevvendl; outfilevv"dwAvailPhys"vv"t"vvstatus.dwAvailPhysvvendl; outfilevv"dwAvailVirtual"vv"t"vvstatus.dwAvailVirtualvvendl; outfilevv

18、"dwLength"vv"t"vvstatus.dwLengthvvendl; outfilevv"dwMemoryLoad"vv"t"vvstatus.dwMemoryLoadvvendl; outfilevv"dwTotalPageFile"vv"t"vvstatus.dwTotalPageFilevvendl; outfilevv"dwTotalPhy"vv"t"vvstatus.dwTotalPhysvvendl;outfile

19、vv"dwTotalVirtual"vv"t"vvstatus.dwTotalVirtualvvendl;outfilevv'l*l'vvendl;/以下一段顯示內(nèi)存基本信息，每次操作后內(nèi)存基本信息不變TION);MEMORY_BASIC_INFORMA TION mem; / 內(nèi)存基本信息VirtualQuery (info.lpMinimumApplicationAddress,&mem,sizeof(MEMORY_BASIC_INFORMA outfilevv"AllocationBase"vv"

20、;t"vvmem.AllocationBasevvendl;outfilevv"AllocationProtect"vv"t"vvmem.AllocationProtectvvendl;outfilevv"BaseAddress"vv"t"vvmem.BaseAddressvvendl; outfilevv"Protect"vv"t"vvmem.Protectvvendl;outfilevv"RegionSize"vv"t"v

21、vmem.RegionSizevvendl; outfilevv"State"vv"t"vvmem.Statevvendl;outfilevv"Type"vv"t"vvmem.Typevvendl;outfilevv'l*l'vvendl;/釋放信號(hào)量通知allocator可以執(zhí)行下一次內(nèi)存分配活動(dòng)ReleaseSemaphore (allo,1,NULL);return 0;void Allocator () /模擬內(nèi)存分配活動(dòng)的線(xiàn)程trace traceArray5;int index=0;FI

22、LE* file;file=fopen ("opfile","rb");operation op;SYSTEM_INFO info;DWORD temp;GetSystemlnfo (&in fo);for (int i=0;i<30;i+)WaitForSingleObject (allo,INFINITE); / 等待 tracker 打印結(jié)束的信號(hào)量 coutvvivv":"fread (&op,sizeof(operation),1,file);Sleep (op.time); /執(zhí)行時(shí)間，如果想在指定的

23、時(shí)間可以取消注釋GetSystemInfo (&in fo);switch (tection) /根據(jù)文件內(nèi)容確定權(quán)限case 0:index=0;temp=PAGE_READONLY;break;case 1:temp=PAGE_READWRITE;break;case 2:temp=PAGE_EXECUTE;break;case 3:temp=PAGE_EXECUTE_READ;break;case 4:temp=PAGE_EXECUTE_READWRITE;break;default:temp=PAGE_READONLY;switch (op.oper)case 0:

24、 /保留一個(gè)區(qū)域cout<<"reserve now "<<endl;traceArrayindex.start=VirtualAlloc (NULL,op.block*info.dwPageSize, MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS);traceArrayindex+.size=op.block*info.dwPageSize;cout<v"starting address:"vvtraceArrayindex-1.startvv"t"vv"size:"vvtra

25、ceArrayindex-1.size<vendl;break;case 1: /提交一個(gè)區(qū)域cout<<"commit now "<<endl;traceArrayindex.start=VirtualAlloc (traceArrayindex.start, traceArrayindex.size,MEM_COMMIT,temp);index+;cout<<"starting address:"v<traceArrayindex-1.startvv"t"vv"size:&

26、quot; v<traceArrayindex-1.size<vendl;break;case 2: /鎖住一個(gè)區(qū)域coutvv"lock now"vvendl;coutvv"starting address:"vvtraceArrayindex.startvv"size:"vv traceArrayindex.sizevvendl;if (!VirtualLock (traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size) coutvvGetLastError ()vvendl;/ 函數(shù)返

27、回錯(cuò)誤號(hào)break;case 3: /解鎖一個(gè)區(qū)域coutvv"unlock now"vvendl;coutvv"starting address:"vvtraceArrayindex.startvv"t"vv"size:" vvtraceArrayindex.sizevvendl;if (!VirtualUnlock (traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size) coutvvGetLastError ()vvendl;break;case 4: /回收一個(gè)區(qū)域coutvv"decommit now"vvendl;coutvv"starting address:"vvtraceArrayindex.startvv"t" vv"size:"vvtraceArrayindex.sizevvendl;if