虚存管理OS实验

1、实验三 虚存管理一、实验目的1. 加深对存储管理概念的理解。2. 深入了解Windows内存管理机制。3. 理解内存分配原理，特别是以页面为单位的虚拟内存分配方法。4. 掌握页式虚拟存储技术。5. 掌握“最不频繁使用淘汰算法”，即LFU页面淘汰算法。二、理论基础1. 页式存储管理技术。2. 虚拟存储管理技术。三、实验要求1. 编写程序实现简单的虚存管理。2. 实验具体包括：（1） 设计并实现一个虚存管理程序，模拟一个单道程序的页式存储管理，用一个一维数组模拟实存空间，用一个文本文件模拟辅存空间；（2） 建立一张一级页表；（3） 编写函数随机产生访存请求，访存操作包括读取、写入、执行等三种类型；

2、（4） 编写函数响应访存请求，完成虚地址到实地址的定位及读/写/执行操作，同时判断并处理缺页中断；（5） 实现LFU页面淘汰算法。3. 实验结束提交书面实验报告。四、实验环境1. 运行Windows操作系统的PC机一台。2. PC机上安装Visual C+ 6.0开发工具软件。五、实验内容1. 建立“Win32 Console Application”工程“vmm”。2. 建立“C/C+ Header File”头文件“vmm.h”，文件内容参见“程序代码”。3. 建立“C+ Source File”源文件“vmm.cpp”，文件内容参见“程序代码”。4. 建立“Text File”文本文件“

3、vmm_auxMem.txt”，模拟辅存空间，文件内容可以输入任意字符（字符数多于512个）。5. 运行程序并认真观察和分析程序的运行结果。七、程序代码头文件“vmm.h”#ifndef VMM_H#define VMM_H/* 模拟辅存的文件路径 */#define AUXILIARY_MEMORY vmm_auxMem.txt/* 页面大小（字节）*/#define PAGE_SIZE 4/* 虚存空间大小（字节） */#define VIRTUAL_MEMORY_SIZE (64 * 4)/* 实存空间大小（字节） */ #define ACTUAL_MEMORY_SIZE (32 *

4、4)/* 总虚页数 */#define PAGE_SUM (VIRTUAL_MEMORY_SIZE / PAGE_SIZE)/* 总物理块数 */#define BLOCK_SUM (ACTUAL_MEMORY_SIZE / PAGE_SIZE)/* 可读标识位 */#define READABLE 0x01u/* 可写标识位 */#define WRITABLE 0x02u/* 可执行标识位 */#define EXECUTABLE 0x04u/* 页表项 */typedef structunsigned int blockNum; /物理块号BOOL filled; /页面装入特征位BYT

5、E proType; /页面保护类型BOOL edited; /页面修改标识unsigned long auxAddr; /外存地址unsigned long count; /页面使用计数器 PageTableItem, *Ptr_PageTableItem;/* 访存请求类型 */typedef enum REQUEST_READ, REQUEST_WRITE, REQUEST_EXECUTE MemoryAccessRequestType;/* 访存请求 */typedef structMemoryAccessRequestType reqType; /访存请求类型unsigned lon

6、g virAddr; /虚地址BYTE value; /写请求的值 MemoryAccessRequest, *Ptr_MemoryAccessRequest;/* 访存错误代码 */typedef enum ERROR_READ_DENY, /该页不可读ERROR_WRITE_DENY, /该页不可写ERROR_EXECUTE_DENY, /该页不可执行ERROR_INVALID_REQUEST, /非法请求类型ERROR_OVER_BOUNDARY, /地址越界ERROR_FILE_OPEN_FAILED, /文件打开失败ERROR_FILE_CLOSE_FAILED, /文件关闭失败ER

7、ROR_FILE_SEEK_FAILED, /文件指针定位失败ERROR_FILE_READ_FAILED, /文件读取失败ERROR_FILE_WRITE_FAILED /文件写入失败 ERROR_CODE;/* 产生访存请求 */void do_request();/* 响应访存请求 */void do_response();/* 处理缺页中断 */void do_page_fault(Ptr_PageTableItem);/* LFU页面替换 */void do_LFU(Ptr_PageTableItem);/* 装入页面 */void do_page_in(Ptr_PageTableI

8、tem, unsigned int);/* 写出页面 */void do_page_out(Ptr_PageTableItem);/* 错误处理 */void do_error(ERROR_CODE);/* 打印页表相关信息 */void do_print_info();/* 获取页面保护类型字符串 */char *get_proType_str(char *, BYTE);#endif源文件“vmm.cpp”#include #include #include #include #include vmm.h/* 页表 */PageTableItem pageTablePAGE_SUM;/*

9、实存空间 */BYTE actMemACTUAL_MEMORY_SIZE;/* 用文件模拟辅存空间 */FILE *ptr_auxMem;/* 物理块使用标识 */bool blockStatusBLOCK_SUM;/* 访存请求 */Ptr_MemoryAccessRequest ptr_memAccReq;/* 初始化环境 */void do_init()srand(unsigned int) time(NULL);for (int i = 0; i PAGE_SUM; i+)pageTablei.filled = false;pageTablei.edited = false;pageT

10、ablei.count = 0;/* 使用随机数设置该页的保护类型 */switch (rand() % 7)case 0:pageTType = READABLE;break;case 1:pageTType = WRITABLE;break;case 2:pageTType = EXECUTABLE;break;case 3:pageTType = READABLE | WRITABLE;break;case 4:pageTType = READABLE | EXECUTABLE;break;case

11、 5:pageTType = WRITABLE | EXECUTABLE;break;case 6:pageTType = READABLE | WRITABLE | EXECUTABLE;break;default:break;/* 设置该页对应的辅存地址，本程序为实现简单采用顺序设置的方式，可替换成其他设置方式，但须注意每个页表项对应的辅存地址均应为PAGE_SIZE的整数倍 */pageTablei.auxAddr = i * PAGE_SIZE * 2;for (int j = 0; j virAddr virAddr = VIRTUAL_MEMOR

12、Y_SIZE)do_error(ERROR_OVER_BOUNDARY);return;/* 计算页号和页内偏移值 */pageNum = ptr_memAccReq-virAddr / PAGE_SIZE;offAddr = ptr_memAccReq-virAddr % PAGE_SIZE;printf(页号为：%ut页内偏移为：%un, pageNum, offAddr);/* 获取对应页表项 */ptr_pageTabIt = &pageTablepageNum;/* 根据特征位决定是否产生缺页中断 */if (!ptr_pageTabIt-filled)do_page_fault(p

13、tr_pageTabIt);actAddr = ptr_pageTabIt-blockNum * PAGE_SIZE + offAddr;printf(实地址为：%un, actAddr);/* 检查页面访问权限并处理访存请求 */switch (ptr_memAccReq-reqType)case REQUEST_READ: /读请求ptr_pageTabIt-count+;if (!(ptr_pageTabIt-proType & READABLE) /页面不可读do_error(ERROR_READ_DENY);return;/* 读取实存中的内容 */printf(读操作成功：值为%0

14、2Xn, actMemactAddr);break;case REQUEST_WRITE: /写请求ptr_pageTabIt-count+;if (!(ptr_pageTabIt-proType & WRITABLE) /页面不可写do_error(ERROR_WRITE_DENY);return;/* 向实存中写入请求的内容 */actMemactAddr = ptr_memAccReq-value;ptr_pageTabIt-edited = true;printf(写操作成功n);break;case REQUEST_EXECUTE: /执行请求ptr_pageTabIt-count+

15、;if (!(ptr_pageTabIt-proType & EXECUTABLE) /页面不可执行do_error(ERROR_EXECUTE_DENY);return;printf(执行成功n);break;default: /非法请求类型do_error(ERROR_INVALID_REQUEST);return;/* 处理缺页中断 */void do_page_fault(Ptr_PageTableItem ptr_pageTabIt)printf(产生缺页中断，开始进行调页.n);for (unsigned int i = 0; i blockNum = i;ptr_pageTabI

16、t-filled = true;ptr_pageTabIt-edited = false;ptr_pageTabIt-count = 0;blockStatusi = true;return;/* 没有空闲物理块，进行页面替换 */do_LFU(ptr_pageTabIt);/* 根据LFU算法进行页面替换 */void do_LFU(Ptr_PageTableItem ptr_pageTabIt)printf(没有空闲物理块，开始进行LFU页面替换.n);for (unsigned int i = 0, min = 0xFFFFFFFF, page = 0; i PAGE_SUM; i+)i

17、f (pageTablei.count blockNum = pageTablepage.blockNum;ptr_pageTabIt-filled = true;ptr_pageTabIt-edited = false;ptr_pageTabIt-count = 0;printf(页面替换成功n);/* 将辅存内容写入实存 */void do_page_in(Ptr_PageTableItem ptr_pageTabIt, unsigned int blockNum)unsigned int readNum;if (fseek(ptr_auxMem, ptr_pageTabIt-auxAdd

18、r, SEEK_SET) 0)exit(1);if (readNum = fread(actMem + blockNum * PAGE_SIZE, sizeof(BYTE), PAGE_SIZE, ptr_auxMem) 物理块%un, ptr_pageTabIt-auxAddr, blockNum);/* 将被替换页面的内容写回辅存 */void do_page_out(Ptr_PageTableItem ptr_pageTabIt)unsigned int writeNum;if (fseek(ptr_auxMem, ptr_pageTabIt-auxAddr, SEEK_SET) blo

19、ckNum * PAGE_SIZE, sizeof(BYTE), PAGE_SIZE, ptr_auxMem) 辅存地址%un, ptr_pageTabIt-auxAddr, ptr_pageTabIt-blockNum);/* 错误处理 */void do_error(ERROR_CODE code)switch (code)case ERROR_READ_DENY:printf(访存失败：该地址内容不可读n);break;case ERROR_WRITE_DENY:printf(访存失败：该地址内容不可写n);break;case ERROR_EXECUTE_DENY:printf(访存失

20、败：该地址内容不可执行n);break;case ERROR_INVALID_REQUEST:printf(访存失败：非法访存请求n);break;case ERROR_OVER_BOUNDARY:printf(访存失败：地址越界n);break;case ERROR_FILE_OPEN_FAILED:printf(系统错误：打开文件失败n);break;case ERROR_FILE_CLOSE_FAILED:printf(系统错误：关闭文件失败n);break;case ERROR_FILE_SEEK_FAILED:printf(系统错误：文件指针定位失败n);break;case ERR

21、OR_FILE_READ_FAILED:printf(系统错误：读取文件失败n);break;case ERROR_FILE_WRITE_FAILED:printf(系统错误：写入文件失败n);break;default:printf(未知错误：没有这个错误代码n);/* 产生访存请求 */void do_request()/* 随机产生请求地址 */ptr_memAccReq-virAddr = rand() % VIRTUAL_MEMORY_SIZE;/* 随机产生请求类型 */switch (rand() % 3)case 0: /读请求ptr_memAccReq-reqType = R

22、EQUEST_READ;printf(产生请求：n地址：%ut类型：读取n, ptr_memAccReq-virAddr);break;case 1: /写请求ptr_memAccReq-reqType = REQUEST_WRITE;/* 随机产生待写入的值 */ptr_memAccReq-value = rand() % 0xFFu;printf(产生请求：n地址：%ut类型：写入t值：%02Xn, ptr_memAccReq-virAddr, ptr_memAccReq-value);break;case 2:ptr_memAccReq-reqType = REQUEST_EXECUTE;printf(产生请求：n地址：%ut类型：执行n, ptr_memAccReq-virAddr);break;default:break;/* 打印页表 */void do_print_info()char str4;printf(页号t块号t装入t修改t保护t计数t辅存n);for (unsigned int i = 0; i PAGE_SUM; i+)printf(%ut%ut%ut%ut%st%ut%un, i, pageTablei.blockNum, pageTabl