1、操作系统原理实验,操作系统的各个主题粗线表示从设计和实现 的角度考虑关系非常紧密,实验5 存储管理,通过实验程序的分析与编制，了解操作系统内存的使用和管理；了解操作系统的内存结构和虚拟内存的管理等 实验5.1 提高 Windows 2000 的内存性能 实验5.2 Windows 2000 内存结构 实验5.3 Windows 2000 虚拟内存 实验5.4 Linux 用户程序的内存管理,实验估计时间：120分钟，难度系数：4,5.1 提高 Windows 2000 的内存性能,耗尽内存是Windows 2000系统中最常见的问题之一。当系统耗尽内存时，所有进程对内存的总需求超出了系统的物理
2、内存总量。Windows 2000必须借助虚拟内存来维持系统和进程的运行 虚拟内存机制是Windows 2000操作系统的重要组成部分，但它的速度比物理内存慢得多，因此，应该尽量避免耗尽物理内存资源，以免导致性能下降,背景知识,解决内存不足问题的一个有效的方法就是添加更多的内存。但是，一旦提供了更多的内存，Windows 2000很可以会立即“吞食” 而事实上，添加更多的内存并非总是可行的，也可能只是推迟了实际问题的发生 因此，应该相信，优化所拥有的内存是非常关键的,背景知识,分页过程 当Windows 2000求助于硬盘以获得虚拟内存时，这个过程被称为分页 (paging) 分页就是将信息从
3、主内存移动到磁盘进行临时存储的过程。应用程序将物理内存和虚拟内存视为一个独立的实体，甚至不知道Windows 2000使用了两种内存方案，而认为系统拥有比实际内存更多的内存。例如，系统的内存数量可能只有16MB，但每一个应用程序仍然认为有4GB内存可供使用 使用分页方案是有代价的。进程所需要的代码或数据在硬盘和物理内存间交换，而硬盘与物理内存在性能上的差异极大。例如，硬盘的访问时间通常大约为4-10毫秒，而物理内存的访问时间为60 us，甚至更快,背景知识,内存共享 应用程序经常需要彼此通信和共享信息。为了提供这种能力，Windows 2000必须允许访问某些内存空间而不危及它和其他应用程序的
4、安全性和完整性 从性能的角度来看，共享内存的能力大大减少了应用程序使用的内存数量。运行一个应用程序的多个副本时，每一个实例都可以使用相同的代码和数据，这意味着不必维护所加载应用程序代码的单独副本并使用相同的内存资源。无论正在运行多少个应用程序实例，充分支持应用程序代码所需求的内存数量都相对保持不变,背景知识,未分页合并内存与分页合并内存 Windows 2000决定了系统内存组件哪些可以以及哪些不可以交换到磁盘上。显然，不应该将某些代码 (例如内核) 交换出主内存。因此，Windows 2000将系统使用的内存进一步划分为未分页合并内存和分页合并内存 分页合并内存：是存储迟早需要的可分页代码或
5、数据的内存部分。虽然可以将分页合并内存中的任何系统进程交换到磁盘上，但是它临时存储在主内存的这一部分，以防系统立刻需要它。在将系统进程交换到磁盘上之前，Windows 2000会交换其他进程,背景知识,未分页合并内存：包含必须驻留在内存中的占用代码或数据。这种结构类似于早期的MS-DOS程序使用的结构，在MS-DOS中，相对较小的终止并驻留程序 (TSR) 在启动时加载到内存中。这些程序在系统重新启动或关闭之前一直驻留在内存的特定部分中。例如，防病毒程序将加载为TSR程序，以预防可能的病毒袭击 未分页合并内存中包含的进程保留在主内存中，并且不能交换到磁盘上。物理内存的这个部分用于内核模式操作（
6、例如，驱动程序）和必须保留在主内存中才能有效工作的其他进程。没有主内存的这个部分，内核组件就将是可分页的，系统本身就有变得不稳定的危险,背景知识,分配到未分页内存池的主内存数量取决于服务器拥有的物理内存数量以及进程对系统上的内存地空间的需求 Windows 2000将未分页合并内存限制为256MB (在Windows NT 4中的限制为128MB) 。根据系统中的物理内存数量，复杂的算法在启动时动态确定Windows 2000系统上的未分页合并内存的最大数量 Windows 2000内部的这一自我调节机制可以根据当前的内存配置自动调整大小。例如，如果增加或减少系统中的内存数量，那么Window
7、s2000将自动调整未分页合并内存的大小，以反映这一更改,背景知识,提高分页性能 只有一个物理硬盘驱动器的系统限制了优化分页性能的能力。驱动器必须处理系统和应用程序的请求以及对分页文件的访问。虽然物理驱动器可能有多个分区，但是将分页文件分布到多个分区的分页文件并不能提高硬盘驱动器的能力。只有当一个分区没有足够的空间来包含整个分页文件时，才将分页文件放在同一个硬盘的多个分区上,背景知识,拥有多个物理驱动器的服务器可以使用多个分页文件来提高分页性能。关键是将分页请求的负载分布到多个物理硬盘上。实际上，使用独立物理驱动器上的分页文件，系统可以同时处理多个分页请求。各个物理驱动器可以同时访问它自己的分
8、页文件并写入信息，这将增加可以传输的信息量。多个分页文件的最佳配置是将各个分页文件放在拥有自己的控制器的独立驱动器上。不过，由于额外的费用并且系统上的可用中断很有限，因此对于大多数基于服务器的配置来说，这可能是不切实际的解决方案,背景知识,分页文件最重要的配置参数是大小。无论系统中有多少个分页文件，如果它们的大小不合适，那么系统就可能遇到性能问题 如果初始值太小，那么系统可能必须扩大分页文件，以补偿额外的分页活动。当系统临时增加分页文件时，它必须在处理分页请求的同时创建新的空间。这时，系统将出现大量的页面错误，甚至可能出现系统失效。当系统必须在进程的工作区外部 (在物理内存或分页文件中的其他位
9、置) 查找信息时，就会出现页面错误。当系统缺乏存储资源 (物理内存及虚拟内存) 来满足使用需求，从而遇到过多的分页时，就会出现系统失效。系统将花更多的时间来分页而不是执行应用程序。当系统失效时，Memory：Pages/see计数器将持续高于每秒100页。系统失效严重降低了系统的性能。此外，动态扩展分页文件将导致碎片化。分页文件将散布在整个磁盘上而不是在启动时的连续空间中创建，从而增加了系统的开销，并导致系统性能降低。因此，应该尽量避免系统增加分页文件的大小,背景知识,通过对Windows 2000“任务管理器”、“计算机管理”、“我的电脑”属性、“系统信息”、“系统监视器”等程序的应用，学习
10、提高Windows内存的性能，加深理解Windows操作系统的内存管理功能，理解操作系统存储管理、虚拟存储管理的知识,实验目的,在开始本实验之前，请回顾教科书的相关内容 需要准备一台运行Windows 2000 Professional操作系统的计算机,工具/准备工作,查看包含多个实例的应用程序的内存需求 未分页合并内存 提高分页性能 计算分页文件的大小 使用任务管理器简单检查分页文件,实验内容与步骤,在NTFS驱动器上，总是至少保留25的空闲驱动器空间，以确保可以在连续的空间中创建分页文件 Windows 2000使用内存数量的1.5倍作为分页文件的最小容量，这个最小容量的两倍作为最大容量。
11、它减少了系统因为错误配置的分页文件而崩溃的可能性。系统在崩溃之后能够将内存转储写入磁盘，所以系统分区必须有一个至少等于物理内存数量加上1的分页文件,实验提示,实验估计时间：120分钟，难度系数：4,5.2 Windows 2000 内存结构,Windows 2000是32位的操作系统，它使计算机CPU可以用32位地址对32位内存块进行操作。内存中的每一个字节都可以用一个32位的指针来寻址。这样，最大的存储空间就是232字节或4000兆字节 (4GB) 。这样，在Windows下运行的每一个应用程序都认为能独占可能的4GB大小的空间 而另一方面，实际上没有几台机器的RAM能达到4GB，更不必说让
12、每个进程都独享4GB内存了。Windows在幕后将虚拟内存 (virtual memory，VM) 地址映射到了各进程的物理内存地址上。而所谓物理内存是指计算机的RAM和由Windows分配到用户驱动器根目录上的换页文件。物理内存完全由系统管理,背景知识,通过实验了解Windows 2000内存的使用，学习如何在应用程序中管理内存，体会Windows应用程序内存的简单性和自我防护能力 了解Windows 2000的内存结构和虚拟内存的管理，进而了解进程堆和Windows为使用内存而提供的一些扩展功能,实验目的,在开始本实验之前，请回顾教科书的相关内容 您需要做以下准备： 一台运行Windows
13、 2000 Professional操作系统的计算机 计算机中需安装Visual C+ 6.0专业版或企业版,工具/准备工作,Windows提供了一个API即GetSystemInfo() ，以便用户能检查系统中虚拟内存的一些特性。清单5-1显示了如何调用该函数以及显示系统中当前内存的参数。,实验内容与步骤,可供应用程序使用的内存空间实际上已经减去了开头与结尾两个64KB的保护区。虚拟内存空间中的64KB保护区是防止编程错误的一种Windows方式。任何对内存中这一区域的访问 (读、写、执行) 都将引发一个错误陷井，从而导致错误并终止程序的执行。也就是说，假如用户有一个NULL指针 (地址为0
14、) ，但仍试图在此之前很近的地址处使用另一个指针，这将因为试图从更低的保留区域读写数据，从而产生意外错误并终止程序的执行,实验提示,实验估计时间：120分钟，难度系数：4,5.3 Windows 2000 虚拟内存,在Windows 2000环境下，4GB的虚拟地址空间被划分成两个部分：低端2GB提供给进程使用，高端2GB提供给系统使用。这意味着用户的应用程序代码，包括DLL以及进程使用的各种数据等，都装在用户进程地址空间内 (低端2GB) 用户过程的虚拟地址空间也被分成三部分： 虚拟内存的已调配区 (committed) ：具有备用的物理内存，根据该区域设定的访问权限，用户可以进行写、读或在
15、其中执行程序等操作 虚拟内存的保留区 (reserved) ：没有备用的物理内存，但有一定的访问权限 虚拟内存的自由区 (free) ：不限定其用途，有相应的PAGE_NOACCESS权限,背景知识,与虚拟内存区相关的访问权限告知系统进程可在内存中进行何种类型的操作。例如，用户不能在只有PAGE_READONLY权限的区域上进行写操作或执行程序；也不能在只有PAGE_EXECUTE权限的区域里进行读、写操作。而具有PAGE_ NOACCESS权限的特殊区域，则意味着不允许进程对其地址进行任何操作 在进程装入之前，整个虚拟内存的地址空间都被设置为只有PAGE_NOACCESS权限的自由区域。当系
16、统装入进程代码和数据后，才将内存地址的空间标记为已调配区或保留区，并将诸如EXECUTE、READWRITE和READONLY的权限与这些区域相关联 Windows还提供了一整套能使用户精确控制应用程序的虚拟地址空间的虚拟内存API 提供虚拟内存分配功能的是VirtualAlloc() API。该API支持用户向系统要求新的虚拟内存或改变已分配内存的当前状态。用户若想通过VirtualAlloc() 函数使用虚拟内存，可以采用两种方式通知系统： 简单地将内存内容保存在地址空间内 请求系统返回带有物理存储区 (RAM的空间或换页文件) 的部分地址空间 用户可以用flAllocation Type
17、参数 (commit和reserve) 来定义这些方式，用户可以通知Windows按只读、读写、不可读写、执行或特殊方式来处理新的虚拟内存 与VirtualAlloc() 函数对应的是VirtualFree() 函数，其作用是释放虚拟内存中的已调配页或保留页。用户可利用dwFree Type参数将已调配页修改成保留页属性 VirtualProtect() 是VirtualAlloc() 的一个辅助函数，利用它可以改变虚拟内存区的保护规范,背景知识,通过实验了解Windows 2000内存的使用，学习如何在应用程序中管理内存，体会Windows应用程序内存的简单性和自我防护能力 学习检查虚拟内存
18、空间或对其进行操作 了解Windows 2000的内存结构和虚拟内存的管理，进而了解进程堆和Windows为使用内存而提供的一些扩展功能,实验目的,在开始本实验之前，请回顾教科书的相关内容 您需要做以下准备 一台运行Windows 2000 Professional操作系统的计算机 计算机中需安装Visual C+ 6.0专业版或企业版,工具/准备工作,虚拟内存的检测 示例程序使用VirtualQueryEX()函数来检查虚拟内存空间 虚拟内存操作 示例程序显示了如何分配一个大容量空间，将物理存储委托给其中的很小一部分 (千分之一) 并加以使用,实验内容与步骤,实验估计时间：90分钟，难度系数
19、：5,5.4 Linux 用户程序的内存管理,现代操作系统允许多个程序同时运行，因此，内存中需要同时存放这些程序。操作系统采用的存储管理方案主要有分区式存储管理、分页式存储管理、分段式存储管理和段页式存储管理等 本实验以一个Linux实例程序说明应用程序如何通过系统调用来管理自己用的空闲内存，目的在于加深读者对操作系统存储管理内容的理解 本实验实例由my-malloc.h、my-malloc.c和test.c三个文件组成。为阅读程序方便，对其中的主要函数作了说明，读者可结合程序注释理解该程序,背景知识,了解通过利用操作系统调用实现用户程序分配内存以及回收所用内存的程序过程，加深对操作系统存储管理机制的理解 通过阅读和分析Linux实验程序，学习Linux程序设计、调试和运行的方法,实验目的,在开始本实验之前，请回顾教科书的相关内容 需要准备一台运行Linux操作系统的计算机,工具/准备工作,本实验程序主要定义了一个描述自由存储块的结构，每一个自由块都包含块的大小、指向下一块的指针以及块区本身，所有的自由块以地址增加顺序排列，并用链表链接起来。这一链表是本程序维护的一个空闲区域，对于操作系统的当前记录来说是已分出去的区域。因为本程序是运行在用户态的程序,实验内容与步骤,
