操作系统实验第四讲物理存储器与进程逻辑地址空间的管理.docx
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操作系统实验第四讲物理存储器与进程逻辑地址空间的管理
操作系统
实验报告
课程名称
操作系统实验
实验项目名称
物理存储器与进程逻辑地址空间的管理
学号
班级
20120616
姓名
专业
计算机科学与技术
学生所在学院
计算机科学
与技术学院
指导教师
初妍
实验室名称地点
21#428
哈尔滨工程大学
计算机科学与技术学院
一、实验概述
1.实验名称物理存储器与进程逻辑地址空间的管理
2.实验目的通过查看物理存储器的使用情况，并练习分配和回收物理内存，从而掌握物理存储器的管理方法。
通过查看进程逻辑地址空间的使用情况，并练习分配和回收虚拟内存，从而掌握进程逻辑地址空间的管理方法。
3.实验类型验证+设计
4.实验内容3.1准备实验
3.2阅读控制台命令“pm”相关的源代码，并查看其执行的结果
3.3分配物理页和释放物理页
3.4阅读控制台命令“vm”相关的源代码，并查看其执行的结果
3.5在系统进程中分配虚拟页和释放虚拟页
3.6在应用程序进程中分配虚拟页和释放虚拟页
3.6.1要求
3.6.2测试方法
3.6.3提示
二、实验环境
操作系统windosxp
编译器OSLab
语言c语言
三、实验过程
1.设计思路和流程图
MiAllocateAnyPages函数的流程图
MiFreePages函数的流程图
2.需要解决的问题及解答
（1）在实验指导的P160-4.和5.按F10单步调试MmAllocateVirtualMemory函数的执行过程，要求给出监视窗口BaseAddress和RegionSize个变量前后变化截图界面。
截图见3.5。
在实验指导的P160-1.和2.按F10单步调试MmFreeVirtualMemory函数的执行过程，要求给出监视窗口BaseAddress和RegionSize个变量前后变化截图界面。
截图见3.5。
（2）按照《实验指导》的P160-3.6在应用程序进程中分配虚拟页和释放虚拟页，编写代码。
要求至少给出源代码及其解释。
程序见3.6.2。
（3）按F10单步调试MiAllocateAnyPages函数的执行过程，尝试回答下面的问题：
①本次分配的物理页的数量是多少？
分配的物理页的页框号是多少？
②物理页是从空闲页链表中分配的？
还是从零页链表中分配的？
③哪一行语句减少了空闲页的数量？
哪一行语句将刚刚分配的物理页由空闲状态修改为忙状态？
答：
①本次分配的物理页的数量是1，分配的物理页的页框号是0x409；
②物理页是从空闲页链表中分配的
③第226行MiFreePageListHead=MiGetPfnDatabaseEntry（Pfn）->Next;和第227行MiFreePageCount--;减少了空闲页的数量，第229行将刚刚分配的物理页由空闲状态修改为忙状态；
（4）按F10单步调试MiFreePages函数的执行过程，尝试回答下面的问题：
①本次释放的物理页的数量是多少？
释放的物理页的页框号是多少？
释放的物理页是之前分配的物理页吗？
②释放的物理页是被放入了空闲页链表中？
还是零页链表中？
③绘制MiFreePages函数的流程图。
答：
①本次释放的物理页的数量是1，释放的物理页的页框号0x409，释放的物理页是之前分配的物理页；
②释放的物理页被放入了空闲页链表中；
③见实验过程开头流程图部分。
（5）按F10单步调试MmAllocateVirtualMemory函数的执行过程，尝试回答下面的问题：
①分配的虚拟页的起始地址是多少？
分配的虚拟页的数量是多少？
它们和参数BaseAddress和RegionSize初始化的值有什么样的关系？
②分配虚拟页的同时有为虚拟页映射实际的物理页吗？
这是由哪个参数决定的？
③分配的虚拟页是在系统地址空间（高2G）还是在用户地址空间（低2G）？
这是由哪个参数决定的？
④参考MiReserveAddressRegion函数的定义和注释，说明该函数的功能。
答：
①分配的虚拟页的起始地址是0xa0003000，分配的虚拟页的数量是1，BaseAddress和RegionSize初始化的值是期望保留或者提交的地址区域的起始地址和大小；
②分配虚拟页的同时有为虚拟页映射实际的物理页，这是由第三个参数AllocationType决定的；
③分配的虚拟页是在系统地址空间（高2G），这是由第四个参数SystemVirtual决定的；
④MiReserveAddressRegion函数的功能是保留一段虚拟地址区域。
（6）按F10单步调试MmFreeVirtualMemory函数的执行过程，尝试回答下面的问题：
①本次释放的虚拟地址是多少？
释放的虚拟页是之前分配的虚拟页吗？
②参考MiFindReservedAddressRegion函数、MiFreeAddressRegion函数和MiDecommitPages函数的定义和注释，说明这些函数的功能。
答：
①本次释放的虚拟地址是0xa0003000，是之前分配的虚拟页；
②MiFindReservedAddressRegion函数用于查找已保留地址区域，如果目标区域非已保留区域则返回失败，MiFreeAddressRegion函数用于释放已保留地址区域和MiDecommitPages函数用于释放映射在连续虚拟页框上的物理页框。
（7）在本实验
3.3中，如果分配了物理页后，没有回收，会对EOS操作系统造成什么样的影响？
目前EOS操作系统内核函数MiAllocateAnyPages能处理所有物理页被分配完毕的情况吗？
例如在没有可分配的物理页的情况下调用该内核函数，是否会返回失败？
如果内核函数MiAllocateAnyPages还不能处理这种极端情况，尝试修改代码解决这个问题。
答：
如果分配了物理页后，没有回收，将会使可分配自由页和零页越来越少，最终导致内存溢出，系统无法运行。
目前EOS操作系统内核函数MiAllocateAnyPages不能处理所有物理页被分配完毕的情况，在没有可分配的物理页的情况下，不会分配物理页，但仍然会返回成功，添加以下代码即可：
Else{return STATUS_MEMORY_NOT_ALLOCATED；}
（8）在本实验 3.3 中，在分配物理页时是调用的内核函数 MiAllocateAnyPages，该函数会优先分配空闲页，尝试修改代码，调用内核函数MiAllocateZeroedPages优先分配零页，并调试分配零页的情况。
尝试从性能的角 7 度分析内核函数 MiAllocateAnyPages 和 MiAllocateZeroedPages。
尝试从安全性的角度分析分配零页的必要性。
答：
将MiAllocateAnyPages（1, PfnArray）;修改为MiAllocateZeroedPages（1, PfnArray）;即可。
系统启动时，所有空闲物理页都是未初始化的，此时零页链表为空，MiAllocateAnyPages函数可以直接从自由页链表分配，而MiAllocateZeroedPages函数会对从自由页链表中分配的每一页进行零初始化，确保所有分配页都是被零初始化的，再进行分配，因此MiAllocateZeroedPages函数效率较低。
但因为MiAllocateZeroedPages函数对自由页进行了初始化，减小了出错的可能性，从而安全性较高。
3.主要数据结构、实现代码及其说明
typedef struct _MMPFN {
ULONG Unused :
9; // 未用
ULONG PageState :
3; // 物理页的状态
ULONG Next :
20; // 下一个物理页的页框号
}MMPFN, *PMMPFN;
typedef enum _PAGE_STATE {
ZEROED_PAGE, // 零页
FREE_PAGE, // 自由页
BUSY_PAGE, // 占用页
} PAGE_STATE;
// 虚拟地址描述符
typedef struct _MMVAD{
ULONG_PTR StartingVpn; // 被使用区域的开始虚页框号
ULONG_PTR EndVpn; // 被使用区域的结束虚页框号
LIST_ENTRY VadListEntry; // 链表项，用于将描述同一地址空间的所有VAD串//成链表
}MMVAD, *PMMVAD;
// 虚拟地址表
typedef struct _MMVAD_LIST{
ULONG_PTR StartingVpn; // 记录的进程地址空间的开始虚页号
ULONG_PTR EndVpn; // 记录的进程地址空间的结束虚页号
LIST_ENTRY VadListHead; // VAD链表头
}MMVAD_LIST, *PMMVAD_LIST;
4.程序运行时的初值和运行结果
3.1准备实验
1.启动OSLab。
2.新建一个EOSKernel项目。
3.2阅读控制台命令“pm”相关的源代码，并查看其执行的结果
执行控制台命令“pm”，查看物理存储器的信息：
3.3分配物理页和释放物理页
使用pm.c文件中ConsoleCmdPhysicalMemory函数的函数体替换ke/sysproc.c文件中ConsoleCmdPhysicalMemory函数的函数体。
调试并执行控制台命令“pm”，查看物理存储器的信息：
分配和释放多个物理页
调用MiAllocateAnyPages函数时分配多个物理页，然后在调用MiFreePages函数时将分配的多个物理页释放。
3.4阅读控制台命令“vm”相关的源代码，并查看其执行的结果
执行控制台命令“vm”，查看系统进程的虚拟地址描述符信息：
按F5启动调试。
待EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令“pt”后按回车。
“pt”命令可以输出当前系统中的进程列表，其中系统进程的ID为1。
在EOS控制台中输入命令“vm1”后按回车得到虚拟地址描述符信息。
执行控制台命令“vm”，查看当创建了一个应用程序进程后，系统进程和应用程
序进程中虚拟地址描述符的信息：
切换到“Console-2”，然后输入命令“pt”后按回车。
输出的信息:
输入命令“vm1”后按回车，可以查看系统进程中虚拟地址描述符的信息
输入命令“vm31”后按回车，可以查看应用程序进程中虚拟地址描述符的信息
3.5在系统进程中分配虚拟页和释放虚拟页
使用vm.c文件中ConsoleCmdVM函数的函数体替换ke/sysproc.c文件中ConsoleCmdVM函数的函数体。
在EOS控制台中输入命令“vm1”后按回车
调试分配虚拟页和释放虚拟页的过程：
vm命令开始执行后，会在调用MmAllocateVirtualMemory函数的代码行处中断。
此时要注意参数
BaseAddress和RegionSize初始化的值。
分配虚拟页的调试过程中BaseAddress和RegionSize的值的变化：
进入函数之前BaseAddress和RegionSize的值
退出函数以后BaseAddress和RegionSize的值
释放虚拟页的调试过程中BaseAddress和RegionSize的值的变化：
进入函数前BaseAddress和RegionSize的值
刚退出函数时BaseAddress和RegionSize的值
在调用MmAllocateVirtualMemory函数时将RegionSize参数的值设置为PAGE_SIZE+1时“输出”窗口中转储的信息：
TotalVpnfrom655360to657407.（0xA0000000-0xA07FFFFF）
1#VadInclude1VpnFrom655360to655360.（0xA0000000-0xA0000FFF）
2#VadInclude2VpnFrom655361to655362.（0xA0001000-0xA0002FFF）
3#VadInclude2VpnFrom655365to655366.（0xA0005000-0xA0006FFF）
4#VadInclude2VpnFrom655367to655368.（0xA0007000-0xA0008FFF）
5#VadInclude2VpnFrom655369to655370.（0xA0009000-0xA000AFFF）
6#VadInclude2VpnFrom655371to655372.（0xA000B000-0xA000CFFF）
7#VadInclude2VpnFrom655373to655374.（0xA000D000-0xA000EFFF）
8#VadInclude2VpnFrom655375to655376.（0xA000F000-0xA0010FFF）
9#VadInclude2VpnFrom655377to655378.（0xA0011000-0xA0012FFF）
10#VadInclude2VpnFrom655379to655380.（0xA0013000-0xA0014FFF）
11#VadInclude2VpnFrom655381to655382.（0xA0015000-0xA0016FFF）
TotalVpnCount:
2048.
AllocatedVpnCount:
21.
FreeVpnCount:
2027.
ZeroedPhysicalPageCount:
0.
FreePhysicalPageCount:
7126.
NewVM'sbaseaddress:
0xA0017000.Size:
0x3000.
1#VadInclude1VpnFrom655360to655360.（0xA0000000-0xA0000FFF）
2#VadInclude2VpnFrom655361to655362.（0xA0001000-0xA0002FFF）
3#VadInclude2VpnFrom655365to655366.（0xA0005000-0xA0006FFF）
4#VadInclude2VpnFrom655367to655368.（0xA0007000-0xA0008FFF）
5#VadInclude2VpnFrom655369to655370.（0xA0009000-0xA000AFFF）
6#VadInclude2VpnFrom655371to655372.（0xA000B000-0xA000CFFF）
7#VadInclude2VpnFrom655373to655374.（0xA000D000-0xA000EFFF）
8#VadInclude2VpnFrom655375to655376.（0xA000F000-0xA0010FFF）
9#VadInclude2VpnFrom655377to655378.（0xA0011000-0xA0012FFF）
10#VadInclude2VpnFrom655379to655380.（0xA0013000-0xA0014FFF）
11#VadInclude2VpnFrom655381to655382.（0xA0015000-0xA0016FFF）
12#VadInclude3VpnFrom655383to655385.（0xA0017000-0xA0019FFF）
AllocatedVpnCount:
24.
FreeVpnCount:
2024.
ZeroedPhysicalPageCount:
0.
FreePhysicalPageCount:
7126.
FreeVM'sbaseaddress:
0xA0017000.Size:
0x3000.
1#VadInclude1VpnFrom655360to655360.（0xA0000000-0xA0000FFF）
2#VadInclude2VpnFrom655361to655362.（0xA0001000-0xA0002FFF）
3#VadInclude2VpnFrom655365to655366.（0xA0005000-0xA0006FFF）
4#VadInclude2VpnFrom655367to655368.（0xA0007000-0xA0008FFF）
5#VadInclude2VpnFrom655369to655370.（0xA0009000-0xA000AFFF）
6#VadInclude2VpnFrom655371to655372.（0xA000B000-0xA000CFFF）
7#VadInclude2VpnFrom655373to655374.（0xA000D000-0xA000EFFF）
8#VadInclude2VpnFrom655375to655376.（0xA000F000-0xA0010FFF）
9#VadInclude2VpnFrom655377to655378.（0xA0011000-0xA0012FFF）
10#VadInclude2VpnFrom655379to655380.（0xA0013000-0xA0014FFF）
11#VadInclude2VpnFrom655381to655382.（0xA0015000-0xA0016FFF）
AllocatedVpnCount:
21.
FreeVpnCount:
2027.
ZeroedPhysicalPageCount:
0.
FreePhysicalPageCount:
7126.
在调用MmAllocateVirtualMemory函数时将BaseAddress参数的值设置为已经被占用的虚拟内存，例如0xA0000000，“输出”窗口中转储的信息：
TotalVpnfrom655360to657407.（0xA0000000-0xA07FFFFF）
1#VadInclude1VpnFrom655360to655360.（0xA0000000-0xA0000FFF）
2#VadInclude2VpnFrom655361to655362.（0xA0001000-0xA0002FFF）
3#VadInclude2VpnFrom655365to655366.（0xA0005000-0xA0006FFF）
4#VadInclude2VpnFrom655367to655368.（0xA0007000-0xA0008FFF）
5#VadInclude2VpnFrom655369to655370.（0xA0009000-0xA000AFFF）
6#VadInclude2VpnFrom655371to655372.（0xA000B000-0xA000CFFF）
7#VadInclude2VpnFrom655373to655374.（0xA000D000-0xA000EFFF）
8#VadInclude2VpnFrom655375to655376.（0xA000F000-0xA0010FFF）
9#VadInclude2VpnFrom655377to655378.（0xA0011000-0xA0012FFF）
10#VadInclude2VpnFrom655379to655380.（0xA0013000-0xA0014FFF）
11#VadInclude2VpnFrom655381to655382.（0xA0015000-0xA0016FFF）
TotalVpnCount:
2048.
FreeVpnCount:
2027.
ZeroedPhysicalPageCount:
0.
FreePhysicalPageCount:
7126.
NewVM'sbaseaddress:
0xA0003000.Size:
0x1000.
1#VadInclude1VpnFrom655360to655360.（0xA0000000-0xA0000FFF）
2#VadInclude2VpnFrom655361to655362.（0xA0001000-0xA0002FFF）
3#VadInclude1VpnFrom655363to655363.（0xA0003000-0xA0003FFF）
4#VadInclude2VpnFrom655365to655366.（0xA0005000-0xA0006FFF）
5#VadInclude2VpnFrom655367to655368.（0xA0007000-0xA0008FFF）
6#VadInclude2VpnFrom655369to655370.（0xA0009000-0xA000AFFF）
7#VadInclude2VpnFrom655371to655372.（0xA000B000-0xA000CFFF）
8#VadInclude2VpnFrom655373to655374.（0xA000D000-0xA000EFFF）
9#VadInclude2VpnFrom655375to655376.（0xA000F000-0xA0010FFF）
10#VadInclude2VpnFrom655377to655378.（0xA0011000-0xA0012FFF）
11#VadInclude2VpnFrom655379to655380.（0
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