實驗九 存儲管理

實驗九存儲管理實驗九存儲管理/NUMPAGES28實驗九存儲管理實驗九存儲管理實驗九存儲管理[1]WindowsXp內(nèi)存結(jié)構(gòu)背景知識WindowsXp是32位的操作系統(tǒng)，它使計算機CPU可以用32位地址對32位內(nèi)存塊進行操作。內(nèi)存中的每一個字節(jié)都可以用一個32位的指針來尋址。這樣，最大的存儲空間就是232字節(jié)或4000兆字節(jié)(4GB)。這樣，在Windows下運行的每一個應(yīng)用程序都認為能獨占可能的4GB大小的空間而另一方面，實際上沒有幾臺機器的RAM能達到4GB，更不必說讓每個進程都獨享4GB內(nèi)存了。Windows在幕后將虛擬內(nèi)存(virtualmemory，VM)地址映射到了各進程的物理內(nèi)存地址上。而所謂物理內(nèi)存是指計算機的RAM和由Windows分配到用戶驅(qū)動器根目錄上的換頁文件。物理內(nèi)存完全由系統(tǒng)管理。實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗了解windowsXp內(nèi)存的使用，學習如何在應(yīng)用程序中管理內(nèi)存、體會Windows應(yīng)用程序內(nèi)存的簡單性和自我防護能力。了解windowsXp的內(nèi)存結(jié)構(gòu)和虛擬內(nèi)存的管理，進而了解進程堆和windows為使用內(nèi)存而提供的一些擴展功能。工具/準備工作您需要做以下準備：一臺運行WindowsXpProfessional操作系統(tǒng)的計算機計算機中需安裝VisualC++6.0專業(yè)版或企業(yè)版實驗內(nèi)容與步驟Windows提供了一個API即GetSystemInfo()，以便用戶能檢查系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存的一些特性。程序5-1顯示了如何調(diào)用該函數(shù)以及顯示系統(tǒng)中當前內(nèi)存的參數(shù)。步驟1：登錄進入WindowsXpProfessional。步驟2：在“開始”菜單中單擊“程序”-“MicrosoftVisualStudio6.0”–“MicrosoftVisualC++6.0”命令，進入步驟3：在工具欄單擊“打開”按鈕，在“打開”對話框中找到并打開實驗源程序5-1.cpp。程序5-1：獲取有關(guān)系統(tǒng)的內(nèi)存設(shè)置的信息//工程vmeminfo#include<windows.h>#include<iostream>#include<shlwapi.h>#include<iomanip>#pragmacomment(lib,"shlwapi.lib")voidmain(){//首先，讓我們獲得系統(tǒng)信息SYSTEM_INFOsi;::ZeroMemory(&si,sizeof(si));::GetSystemInfo(&si);//使用外殼輔助程序?qū)σ恍┏叽邕M行格式化TCHARszPageSize[MAX_PATH];::StrFormatByteSize(si.dwPageSize,szPageSize,MAX_PATH);DWORDdwMemSize=(DWORD)si.lpMaximumApplicationAddress-(DWORD)si.lpMinimumApplicationAddress;TCHARszMemSize[MAX_PATH];::StrFormatByteSize(dwMemSize,szMemSize,MAX_PATH);//將內(nèi)存信息顯示出來std::cout<<"Virtualmemorypagesize:"<<szPageSize<<std::endl;std::cout.fill('0');std::cout<<"Minimumapplicationaddress:0x"<<std::hex<<std::setw(8)<<(DWORD)si.lpMinimumApplicationAddress<<std::endl;std::cout<<"Maximumapplicationaddress:0x"<<std::hex<<std::setw(8)<<(DWORD)si.lpMaximumApplicationAddress<<std::endl;std::cout<<"Totalavailablevirtualmemory:"<<szMemSize<<std::endl;}步驟4：單擊“Build”菜單中的“Compile5-1.cpp”命令，并單擊“是”按鈕確認。系統(tǒng)對5-1.cpp進行編譯。步驟5：編譯完成后，單擊“Build”菜單中的“Build5-1.exe”命令，建立5-1.exe可執(zhí)行文件。操作能否正常進行？如果不行，則可能的原因是什么？_不可以運行，#pragmacomment(lib,"shlwapi.lib")指令錯誤，在pragma與comment中間應(yīng)該有空格___________________________________________________________________________________________________________________________________________步驟6：在工具欄單擊“ExecuteProgram”(執(zhí)行程序)按鈕，執(zhí)行5-1.exe程序。運行結(jié)果(分行書寫。如果運行不成功，則可能的原因是什么？)：1)虛擬內(nèi)存每頁容量為：4.00KB2)最小應(yīng)用地址：0*000100003)最大應(yīng)用地址：0*7ffeffff4)當前可供應(yīng)用程序使用的內(nèi)存空間為：2.00GB5)當前計算機的實際內(nèi)存大小為：1.99GB1)虛擬內(nèi)存每頁容量為：2)最小應(yīng)用地址：3)最大應(yīng)用地址為：4)當前可供應(yīng)用程序使用的內(nèi)存空間為：5)當前計算機的實際內(nèi)存大小為：閱讀和分析程序5-1，請回答問題：理論上每個windows應(yīng)用程序可以獨占的最大存儲空間是：____4GB____在程序5-1中，用于檢索系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存特性的API函數(shù)是：DWORD提示：可供應(yīng)用程序使用的內(nèi)存空間實際上已經(jīng)減去了開頭與結(jié)尾兩個64KB的保護區(qū)。虛擬內(nèi)存空間中的64KB保護區(qū)是防止編程錯誤的一種Windows方式。任何對內(nèi)存中這一區(qū)域的訪問(讀、寫、執(zhí)行)都將引發(fā)一個錯誤陷井，從而導致錯誤并終止程序的執(zhí)行。也就是說，假如用戶有一個NULL指針(地址為0)，但仍試圖在此之前很近的地址處使用另一個指針，這將因為試圖從更低的保留區(qū)域讀寫數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生意外錯誤并終止程序的執(zhí)行。[2]WindowsXp虛擬內(nèi)存背景知識在WindowsXp環(huán)境下，4GB的虛擬地址空間被劃分成兩個部分：低端2GB提供給進程使用，高端2GB提供給系統(tǒng)使用。這意味著用戶的應(yīng)用程序代碼，包括DLL以及進程使用的各種數(shù)據(jù)等，都裝在用戶進程地址空間內(nèi)(低端2GB)。用戶過程的虛擬地址空間也被分成三部分：1）虛擬內(nèi)存的已調(diào)配區(qū)(committed)：具有備用的物理內(nèi)存，根據(jù)該區(qū)域設(shè)定的訪問權(quán)限，用戶可以進行寫、讀或在其中執(zhí)行程序等操作。2）虛擬內(nèi)存的保留區(qū)(reserved)：沒有備用的物理內(nèi)存，但有一定的訪問權(quán)限。3）虛擬內(nèi)存的自由區(qū)(free)：不限定其用途，有相應(yīng)的PAGE_NOACCESS權(quán)限。與虛擬內(nèi)存區(qū)相關(guān)的訪問權(quán)限告知系統(tǒng)進程可在內(nèi)存中進行何種類型的操作。例如，用戶不能在只有PAGE_READONLY權(quán)限的區(qū)域上進行寫操作或執(zhí)行程序；也不能在只有PAGE_EXECUTE權(quán)限的區(qū)域里進行讀、寫操作。而具有PAGE_NOACCESS權(quán)限的特殊區(qū)域，則意味著不允許進程對其地址進行任何操作。在進程裝入之前，整個虛擬內(nèi)存的地址空間都被設(shè)置為只有PAGE_NOACCESS權(quán)限的自由區(qū)域。當系統(tǒng)裝入進程代碼和數(shù)據(jù)后，才將內(nèi)存地址的空間標記為已調(diào)配區(qū)或保留區(qū)，并將諸如EXECUTE、READWRITE和READONLY的權(quán)限與這些區(qū)域相關(guān)聯(lián)。如表3-2所示，給出了MEMORY_BASIC_INFORMAITON的結(jié)構(gòu)，此數(shù)據(jù)描述了進程虛擬內(nèi)存空間中的一組虛擬內(nèi)存頁面的當前狀態(tài)，期中State項表明這些區(qū)域是否為自由區(qū)、已調(diào)配區(qū)或保留區(qū)；Protect項則包含了windows系統(tǒng)為這些區(qū)域添加了何種訪問保護；type項則表明這些區(qū)域是課執(zhí)行圖像、內(nèi)存映射文件還是簡單的私有內(nèi)存。VirsualQueryEX()API能讓用戶在指定的進程中，對虛擬內(nèi)存地址的大小和屬性進行檢測。Windows還提供了一整套能使用戶精確控制應(yīng)用程序的虛擬地址空間的虛擬內(nèi)存API。一些用于虛擬內(nèi)存操作及檢測的API如表3-2所示。表3-1MEMORY_BASIC_INFORMAITON結(jié)構(gòu)的成員成員名稱目的PVOIDBaseAddress虛擬內(nèi)存區(qū)域開始處的指針PVOIDAllocationBase如果這個特定的區(qū)域為子分配區(qū)的話，則為虛擬內(nèi)存外面區(qū)域的指針；否則此值與BaseAddress相同DWORDAllocationProtect虛擬內(nèi)存最初分配區(qū)域的保護屬性。其可能值包括：PAGE_NOACCESS,PAGE_READONLY,PAGE_READWRITE和PAGE_EXECUTE_READDWORDRegionSize虛擬內(nèi)存區(qū)域的字節(jié)數(shù)DWORD區(qū)域的當前分配狀態(tài)。其可能值為MEM_COMMIT,MEM_PREE和MEM_RESERVEDWORDProtect虛擬內(nèi)存當前的保護屬性?？赡苤蹬cAllocationProtect成員的相同DWORDType虛擬內(nèi)存區(qū)域中出現(xiàn)的頁面類型。可能值為MEM_IMAGE,MEM_MAPPED和MEM_PRIVATE表3-2虛擬內(nèi)存的APIAPI名稱描述VisualQueryEX()通過填充MEMORY_BASIC_INFORMATION結(jié)構(gòu)檢測進程內(nèi)虛擬內(nèi)存的區(qū)域VisualAlloc()保留或調(diào)配進程的部分虛擬內(nèi)存，設(shè)置分配和保護標志VirsualFree()釋放或收回應(yīng)用程序使用的部分虛擬地址VirsualProtect()改變虛擬內(nèi)存區(qū)域保護規(guī)范VirsualLock()防止系統(tǒng)將虛擬內(nèi)存區(qū)域通過系統(tǒng)交換到頁面文件中VirsualUnlock()釋放虛擬內(nèi)存的鎖定區(qū)域，必要時，允許系統(tǒng)將其交換到頁面文件中提供虛擬內(nèi)存分配功能的是VirtualAlloc()API。該API支持用戶向系統(tǒng)要求新的虛擬內(nèi)存或改變已分配內(nèi)存的當前狀態(tài)。用戶若想通過VirtualAlloc()函數(shù)使用虛擬內(nèi)存，可以采用兩種方式通知系統(tǒng)：1)簡單地將內(nèi)存內(nèi)容保存在地址空間內(nèi)2)請求系統(tǒng)返回帶有物理存儲區(qū)(RAM的空間或換頁文件)的部分地址空間用戶可以用flAllocationType參數(shù)(commit和reserve)來定義這些方式，用戶可以通知Windows按只讀、讀寫、不可讀寫、執(zhí)行或特殊方式來處理新的虛擬內(nèi)存。與VirtualAlloc()函數(shù)對應(yīng)的是VirtualFree()函數(shù)，其作用是釋放虛擬內(nèi)存中的已調(diào)配頁或保留頁。用戶可利用dwFreeType參數(shù)將已調(diào)配頁修改成保留頁屬性。VirtualProtect()是VirtualAlloc()的一個輔助函數(shù)，利用它可以改變虛擬內(nèi)存區(qū)的保護規(guī)范。實驗?zāi)康?）通過實驗了解WindowsXp內(nèi)存的使用，學習如何在應(yīng)用程序中管理內(nèi)存，體會Windows應(yīng)用程序內(nèi)存的簡單性和自我防護能力。2）學習檢查虛擬內(nèi)存空間或?qū)ζ溥M行操作。3）了解WindowsXp的內(nèi)存結(jié)構(gòu)和虛擬內(nèi)存的管理，進而了解進程堆和Windows為使用內(nèi)存而提供的一些擴展功能。工具/準備工作在開始本實驗之前，請回顧教科書的相關(guān)內(nèi)容。您需要做以下準備：1)一臺運行WindowsXpProfessional操作系統(tǒng)的計算機。2)計算機中需安裝VisualC++6.0專業(yè)版或企業(yè)版。實驗內(nèi)容與步驟1.虛擬內(nèi)存的檢測清單5-2所示的程序使用VirtualQueryEX()函數(shù)來檢查虛擬內(nèi)存空間。步驟1：登錄進入WindowsXpProfessional。步驟2：在“開始”菜單中單擊“程序”-“MicrosoftVisualStudio6.0”–“MicrosoftVisualC++6.0”命令，進入步驟3：在工具欄單擊“打開”按鈕，在“打開”對話框中找到并打開實驗源程序5-2.cpp。清單5-2檢測進程的虛擬地址空間//工程vmwalker#include<windows.h>#include<iostream>#include<shlwapi.h>#include<iomanip>#pragmacomment(lib,"Shlwapi.lib")//以可讀方式對用戶顯示保護的輔助方法。//保護標記表示允許應(yīng)用程序?qū)?nèi)存進行訪問的類型//以及操作系統(tǒng)強制訪問的類型inlineboolTestSet(DWORDdwTarget,DWORDdwMask){return((dwTarget&dwMask)==dwMask);}#defineSHOWMASK(dwTarget,type)\if(TestSet(dwTarget,PAGE_##type))\{std::cout<<","<<#type;}voidShowProtection(DWORDdwTarget){SHOWMASK(dwTarget,READONLY);SHOWMASK(dwTarget,GUARD);SHOWMASK(dwTarget,NOCACHE);SHOWMASK(dwTarget,READWRITE);SHOWMASK(dwTarget,WRITECOPY);SHOWMASK(dwTarget,EXECUTE);SHOWMASK(dwTarget,EXECUTE_READ);SHOWMASK(dwTarget,EXECUTE_READWRITE);SHOWMASK(dwTarget,EXECUTE_WRITECOPY);SHOWMASK(dwTarget,NOACCESS);}//遍歷整個虛擬內(nèi)存并對用戶顯示其屬性的工作程序的方法voidWalkVM(HANDLEhProcess){//首先，獲得系統(tǒng)信息SYSTEM_INFOsi;::ZeroMemory(&si,sizeof(si));::GetSystemInfo(&si);//分配要存放信息的緩沖區(qū)MEMORY_BASIC_INFORMATIONmbi;::ZeroMemory(&mbi,sizeof(mbi));//循環(huán)整個應(yīng)用程序地址空間LPCVOIDpBlock=(LPVOID)si.lpMinimumApplicationAddress;while(pBlock<si.lpMaximumApplicationAddress){//獲得下一個虛擬內(nèi)存塊的信息if(::VirtualQueryEx(hProcess, //相關(guān)的進程pBlock,//開始位置 &mbi,//緩沖區(qū)sizeof(mbi))==sizeof(mbi)) //大小的確認{//計算塊的結(jié)尾及其大小LPCVOIDpEnd=(PBYTE)pBlock+mbi.RegionSize; TCHARszSize[MAX_PATH];::StrFormatByteSize(mbi.RegionSize,szSize,MAX_PATH);//顯示塊地址和大小std::cout.fill('0');std::cout<<std::hex<<std::setw(8)<<(DWORD)pBlock<<"-"<<std::hex<<std::setw(8)<<(DWORD)pEnd<<(::strlen(szSize)==7?"(":"(")<<szSize<<")";//顯示塊的狀態(tài)switch(mbi.State){caseMEM_COMMIT: std::cout<<"Committed"; break;caseMEM_FREE: std::cout<<"Free"; break;caseMEM_RESERVE: std::cout<<"Reserved"; break;}//顯示保護 if(mbi.Protect==0&&mbi.State!=MEM_FREE){mbi.Protect=PAGE_READONLY;} ShowProtection(mbi.Protect);//顯示類型switch(mbi.Type){caseMEM_IMAGE: std::cout<<",Image"; break; caseMEM_MAPPED: std::cout<<",Mapped"; break;caseMEM_PRIVATE: std::cout<<",Private"; break; }//檢驗可執(zhí)行的影像TCHARszFilename[MAX_PATH];if(::GetModuleFileName((HMODULE)pBlock, //實際虛擬內(nèi)存的模塊句柄 szFilename,//完全指定的文件名稱 MAX_PATH)>0)//實際使用的緩沖區(qū)大小{//除去路徑并顯示::PathStripPath(szFilename);std::cout<<",Module:"<<szFilename; }std::cout<<std::endl; //移動塊指針以獲得下一下個塊pBlock=pEnd;}}}voidmain(){//遍歷當前進程的虛擬內(nèi)存 ::WalkVM(::GetCurrentProcess());}清單5-2中顯示一個walkVM()函數(shù)開始于某個進程可訪問的最低端虛擬地址處，并在其中顯示各塊虛擬內(nèi)存的特性。虛擬內(nèi)存中的塊由VirsualQueryEX()API定義成連續(xù)快或具有相同狀態(tài)（自由區(qū)，已調(diào)配區(qū)等）的內(nèi)存，并分配以一組統(tǒng)一的保護標志（只讀、可執(zhí)行等）。步驟4：單擊“Build”菜單中的“Compile5-2.cpp”命令，并單擊“是”按鈕確認。系統(tǒng)對5-2.cpp進行編譯。步驟5：編譯完成后，單擊“Build”菜單中的“Build5-2.exe”命令，建立5-2.exe可執(zhí)行文件。操作能否正常進行？如果不行，則可能的原因是什么？___能運行_________________________________________________________________________________________________________________________________________步驟6：在工具欄單擊“ExecuteProgram”(執(zhí)行程序)按鈕，執(zhí)行5-2.exe程序。1）分析運行結(jié)果（如果運行不成功，則可能的原因是什么）按committed,reserved,free等三種虛擬地址空間分別記錄實驗數(shù)據(jù)，其中“描述”是對該組數(shù)據(jù)的簡單描述，例如，對下列一組數(shù)據(jù)：00010000-0001Xp<8.00KB>Committed,READWRITE,Private可描述為：具有READWRITE權(quán)限的已調(diào)配私有內(nèi)存區(qū)。將系統(tǒng)當前的自由區(qū)（Free）虛擬地址空間填入表3-3中。地址大小虛擬地址空間類型訪問權(quán)限描述

00010000-00012000

8.00KBfree

READWRITE

具有READWRITE權(quán)限的已調(diào)配私有內(nèi)存區(qū)

00012000-0002000056.0KBfreeNOACCESS

沒有任何權(quán)限的已調(diào)配的共有內(nèi)存區(qū)

00020000-00021000

4.00KBfree

READWRITE

具有READWRITE權(quán)限的已調(diào)配私有內(nèi)存區(qū)

00021000-00030000

60.0KBfreeNOACCESS

沒有任何權(quán)限的已調(diào)配的共有內(nèi)存區(qū)

00030000-0012c000

0.98MBfree

READONLY

只具有READ權(quán)限的已調(diào)配私有內(nèi)存區(qū)

0012c000-0012d000

4.00KBfree

READWRITE

具有READWRITE權(quán)限的已調(diào)配私有內(nèi)存區(qū)

0012/p>

12.0KBfree

READWRITE

具有READWRITE權(quán)限的已調(diào)配私有內(nèi)存區(qū)

00130000-00133000

12.0KBfree

READONLY

只具有READ權(quán)限的已調(diào)配內(nèi)存區(qū)表3-3實驗記錄地址大小虛擬空間類型訪問權(quán)限描述freefreefreefreefreefreefree將系統(tǒng)當前的已調(diào)配區(qū)（Committed）虛擬地址空間填入表3-4中。表3-4實驗記錄00010000-00020000(64.0KB)Committed,READWRITE,Mapped00020000-00030000(64.0KB)Committed,READWRITE,Mapped0012d000-0012e000(4.00KB)Committed,GUARD,READWRITE,Private00128.00KB)Committed,READWRITE,Private00130000-00134000(16.0KB)Committed,READONLY,Mapped00140000-001a7000(412KB)Committed,READONLY,Mapped001b0000-001b1000(4.00KB)Committed,READWRITE,Private001c0000-001c1000(4.00KB)Committed,READWRITE,Private001d0000-001d7000(28.0KB)Committed,READONLY,Mapped001e0000-001e2000(8.00KB)Committed,READWRITE,Mapped地址大小虛擬空間類型訪問權(quán)限描述CommittedCommittedCommittedCommittedCommittedCommittedCommitted將系統(tǒng)當前的保留區(qū)（Reserved）虛擬地址空間填入表3-5中。0022844KB)Reserved,READONLY,Private00306000-003c0000(744KB)Reserved,READONLY,Mapped003c3000-003c8000(20.0KB)Reserved,READONLY,Mapped00673000-00680000(52.0KB)Reserved,READONLY,Private006f4000-01280000(11.5MB)Reserved,READONLY,Mapped01288000-01380000(992KB)Reserved,READONLY,Private01406000-01410000(40.0KB)Reserved,READONLY,Private表3-5實驗記錄地址大小虛擬空間類型訪問權(quán)限描述ReservedReservedReservedReservedReservedReservedReserved從上述輸出結(jié)果，對照分析清單5-2的程序，請簡單描述程序運行的流程：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________2.虛擬內(nèi)存的分配與釋放能正確使用系統(tǒng)函數(shù)GetMeoryStatus()和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MEMORY_STATUS了解系統(tǒng)內(nèi)存和虛擬存儲空間使用情況，會使用VirsualAlloc（）函數(shù)和VirsualFree（）函數(shù)分配和釋放虛擬內(nèi)存空間。//GetMemoryStatus.cpp:Definestheentrypointfortheconsoleapplication.//#include"stdafx.h"#include"GetMemoryStatus.h"#ifdef_DEBUG#definenewDEBUG_NEW#undefTHIS_FILEstaticcharTHIS_FILE[]=__FILE__;#endifvoidGetMemSta(void);//TheoneandonlyapplicationobjectCWinApptheApp;usingnamespacestd;int_tmain(intargc,TCHAR*argv[],TCHAR*envp[]){intnRetCode=0;LPVOIDBaseAddr;char*str;GetMemSta();printf("NowAllocate32MVirsualMemoryand2MPhysicalMemory\n\n");BaseAddr=::VirtualAlloc(NULL,1024*1024*32,MEM_RESERVE|MEM_COMMIT,PAGE_READWRITE);//分配虛擬內(nèi)存if(BaseAddr==NULL)printf("VirsualAllocateFail.\n");str=(char*)malloc(1024*1024*2);//分配內(nèi)存GetMemSta(); printf("NowRelease32MVirsualMemoryand2MPhysicalMemory\n\n");if(::VirtualFree(BaseAddr,0,MEM_RELEASE)==0)//釋放虛擬內(nèi)存printf("ReleaseAllocateFail.\n");free(str);//釋放內(nèi)存GetMemSta();returnnRetCode;}voidGetMemSta(void){MEMORYSTATUSMemInfo;GlobalMemoryStatus(&MemInfo);printf("CurrentMemoryStatusis:\n");printf("\tTotalPhysicalMemoryis%dMB\n",MemInfo.dwTotalPhys/(1024*1024)); printf("\tAvailablePhysicalMemoryis%dMB\n",MemInfo.dwAvailPhys/(1024*1024));printf("\tTotalPageFileis%dMB\n",MemInfo.dwTotalPageFile/(1024*1024));printf("\tAvailablePageFileis%dMB\n",MemInfo.dwAvailPageFile/(1024*1024));printf("\tTotalVirtualMemoryis%dMB\n",MemInfo.dwTotalVirtual/(1024*1024)); printf("\tAvailableVirsualmemoryis%dMB\n",MemInfo.dwAvailVi