1、操作系統課程設計實驗WRK內存管理試驗姓名：莫金博班級：08級計算機1班學號：20086789一.實驗內容描述1.目的（1）了解Windows內存管理器（2）理解Windows的地址過程2.內容 任意給出一個虛擬地址，通過WinDbg觀察相關數據并找到其物理地址二.理論分析Windows采用頁式虛擬存儲管理技術管理內存，頁面是硬件級別上的最小保護單位1.Windows內存管理器Windows的內存管理主要由Windows執行體中的虛存管理程序負責，并由環境子系統負責，并由環境子系統負責與具體API相關的一些用戶態特性的實現。虛存管理程序是Windows中負責內存管理的那些子程序和數據結構的集合

2、內存管理器的主要任務是：地址變換：將一個進程的虛擬地址空間轉譯為物理內存地址交換：當內存不足時，將內存中的有些內容轉移到磁盤上，并且以后還要再次將這些內容讀回2.Windows內存管理策略Windows采用頁式虛擬存儲管理技術管理內存，頁面是硬件級別上最小的保護單位。根據硬件的體系結構不同，頁面尺寸被分為兩種，大頁面和小頁面。X86系統下小頁面為4KB，大頁面為4MB。大頁面的優點是：當引用同一頁面內其他數據時，地址轉移的速度會很快。不過使用大頁面通常要較大的內存空間，而且必須用一個單獨的保護項來映射，因此可能會造成出現錯誤而不引發內存訪問違例的情況。通常PC機都為小頁面3.Windows虛擬

3、地址空間布局x86結構下的布局方式：默認情況下，32位Windows系統中每個用戶進程可以占有2GB的私有地址空間。操作系統占有另外的2GB2GB用戶的進程地址空間布局如表：2GB的系統地址空間布局如同：3.虛擬地址轉譯地址轉譯是指將進程的虛擬地址空間映射到實際物理頁面的過程。x86系統中地址轉譯過程如圖：關鍵數據結構如下：頁目錄：每個進程都有一個頁目錄，它是內存管理器為了映射進程中所有的頁表位置而創建的一個頁面。進程也目錄的地址被保存在內核進程快KPROCESS中，在x86系統上，它被映射到虛擬地址0xC0300000，當一個進程正在執行時，CPU可以通過寄存器CR3知道該進程頁目錄的位置。

4、頁目錄由目錄項（PDE）構成，每個PDE長4字節，描述了該進程中所有可能的頁表的狀態和位置。其格式和PTE類似。x86系統上，要描述完整的4GB虛擬地址空間，需要1024個頁表。因此映射這些頁表的進程頁目錄需包含1024個PDE，恰好占用一個頁面。頁表：進程的頁目錄項指向頁表。每個頁表占用一個頁面，由1024項PTE組成。一個有效的PTE大小為4字節，包含兩個主域：數據所在的物理頁面的頁面幀編號（PNF）或者內存中一個頁面的物理地址的PFN；一些描述該頁面狀態和保護屬性的標志。虛擬地質結構：x86系統上，一個32位虛擬地址被解釋為三個單獨的部分，頁目錄索引、頁表索引和字節索引。由于頁目錄項有1

5、024個，因此頁目錄索引為10位；一個也表中含有1024個PTE。因此頁表索引也為10位，字節索引為12位，正好表示一頁（4KB）內容三.實驗步驟及結果1.查找頁目錄首地址以程序WG.exe作為觀測對象。啟動WinDbg到內核調試模式，運行程序WG.exe。終斷目標機運行，輸入命令：kd>!process發現WG.exe進程正處于運行狀態輸入命令：在KPROCESS中名為DirectoryTableBase的域，對應值為0x9fa6000，即WG.exe進程頁目錄的物理地址查看CR3寄存其中的內容，輸入命令：CR3寄存其中的值和KPROCESS中記錄的頁目錄基址相同。這是因為在CPU切換

6、執行任務時，其內容要更新為當前進程的頁目錄基址。2.地址轉譯過程假設給定的虛擬地址為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中的具體內容，9e4a是給定虛擬地址所在頁表在內存中對應的物理頁號，“-DAUWEV”是標志信息，“pfn a173 -A-UREV”表示PTE中的具體內容，a173是數據頁裝入內存的物理頁號。將數據頁對應的物理頁號a173加上業內索引（0x1）即可得到虛擬地址0x401001的物理地址3.觀察系統頁表給定觀測虛擬地址為0x80001001輸入命令：

7、當前正在執行的進程是：WG.exe輸入命令：得到PDE為C0300800，其對應的物理頁號為3b繼續讓目標機運行，啟動A.exe，然后中斷目標機運行。輸入命令：當前正在執行的進程為A.exe輸入命令：PDE信息和對應的物理頁號與前面觀測到的相同四.結論1.數據頁對應的物理頁號加上相應業內索引即可得到虛擬地址的物理地址2.不同的進程頁目錄都指向了相同的系統表頁五.心得體會在這次上機實驗，通過對WinDbg和VPc的調試運用，我熟悉了Windows內存管理器的結構，也認知到Windows如何進行地址轉譯和轉換。對相關的知識也進行了溫習，更牢的掌握了相關知識。當然這些還遠遠不夠，我以后還要繼續不斷努

8、力，去學習了解掌握操作系統的各方面知識。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'