计算机操作系统

1、计算机操作系统（课程设计）年级专业05级计算机2班学生姓名XXX学 号时间：2008-5-231课程设计意义 32课程设计内容 33课程设计目的 34设计详细要求 45课程设计说明 46课程设计源代码 107运行结果及分析198设计总结和体会20209参考文献一 课程设计的意义：通过模拟操作系统的实现， 加深对操作系统工作原理理解， 提高综合运用所学知识的能力； 进一步了解操作系统的实现方法； 培养我们自主查阅参考资料的习惯， 增强独立思考和解决问题的能力； 并可练习提高自己程序设计能力并可通 过课程设计，培养严谨的科学态度。通过本课程设计，使学生对操作系统的核心概念和算法有一个透彻的理解，并

2、对系统运行的机制有一个全面的掌握， 从而充分理解系统调用与程序设计之间 的关系。二 课程设计内容：1. 课程设计题目：模拟内存管理2. 内容要求： 自定义内存管理策略对应的数据结构； 随机产生一组申请和收回进程及要求分配和收回内存的大小，实现内存分配和收回算法（可以采用多种分配算法），计算内存利用率； 显示内存分区管理的分配和收回过程。三 课程设计目的1. 从不同侧面了解Windows XP 对用户进程的虚拟内存空间的管理、 分配方法。2. 了解跟踪程序的编写方法（与被跟踪程序保持同步，使用 Windows提供 的信号量） 。 对 Windows 分配虚拟内存、 改变内存状态， 以及对物理内存

3、（ physicalmemory）和页面文件（page file）状态查询的API函数的功能、参数限制、使用 规则要进一步了解。3. 默认情况下， 32 位 Windows XP 上每个用户进程可以占有2GB 的私有地址空间， 操作系统占有剩下的 2GB。 Windows XP 在 X86 体系结构上利用二级页表结构来实现虚拟地址向物理地址的变换。一个32 位的虚拟地址被解释为三个独立的分量 页目录索引， 页表索引和字节索引 它们用于找出描述页面映射结构的索引。页面大小及页表项的宽度决定了页目录和页表索引的宽度。4. Windows进程的虚拟地址空间中也有三种状态的页面：空闲页面、保留页 面和

4、提交页面。（1）空闲（Free）页面：空闲页面是指那些可以保留或提交的可用页面。（2）保留（Reserve。页面：保留页面是逻辑页面已分配但没有分配物理存储的页面。 设置这种状态的效果是可以保留一部分虚拟地址， 这样， 如果不预先释放这些地址， 就不能被其他应用程序 （如 Malloc ， LocalAlloc 等） 的操作所使用。试图读或写空闲页面或保留页面将导致页面出错异常。保留页面可被释放后提 交。（3）提交（Committed）页面：提交页面是物理存储（在内存中或磁盘上） 已被分配的页面。 可对它加以保护， 不许访问或允许只读访问， 或允许读写访问。提交也可以被回收以释放存储空间，从而

5、变成保留页面。四 设计详细要求使用 windows 2000/XP 的 API 函数，编写一个包含两个线程的进程，一个线程用于模拟内存分配活动， 一个线程用于跟踪第一个线程的内存行为， 而且要 求两个线程之间通过信号量实现同步。 模拟内存活动的线程可以从一个文件中读出要进行的内存操作，每个内存操作包括以下内容： 时间：操作等待时间。 块数：分配内存的粒度。 操作：包括保留（reserve一个区域，提交（commit）一个区域，释放（release 一个区域，回收（decommit） 一个区域和加锁（lock）与解锁（unlock） 一个区 域，可以将这些操作编号存放于文件。 保留时之保留进程的

6、虚拟地址空间，而不分配物理存储空间。 提交在内存中分配物理存储空间。 回收是指释放物理内存空间，但在虚拟地址空间仍然保留，它与提交相对 应，即可以回收已经提交的内存块。 释放是指将物理存储和虚拟地址空间全部释放，它与保留相对应，即可以释放已经保留的内存块。 大小：块的大小。 访问权限：共五种。分别为 PAGE_READONLY,PAGE_READWRITE,PAGE_EXECUTE, AGE_EXECUTE_READ 和 PAGE_EXETUTE_READWRITE 。可以将这些权限编号存放于文件中跟踪线程 将页面大小、已使用的地址范围、物理内存总量，以及虚拟内存总量等信息显 示出来。五 课程

7、设计说明5-1 模块组成 :本程序 主 要 由 文 件 建 立和 文件 写 入 模 块 makefile 和 内 存 操作模块 -memory-op 两大模块组成。5-2 模块的主要功能及结构:（1） 文件建立和文件写入模块makefile 模块的主要功能及结构如下：作用 : 本程序主要实现将操作写入文件结构：本程序采用了 C语言的fwrite函数直接以结构（struct）为单位写入文件。用了两层循环，外层循环控制对内存的操作（保留、提交、锁、解锁、回收、释放），内层循环控制对内存操作的权限（PAGE_READON、LYPAGE_READWR、ITEPAGE_EXECU TEPAGE_EXEC

8、UTE_READGE_EXECUTE_READWRITE）l 数生成等待执行的时间和分配的粒度。（2）内存操作模块memory-op模块的主要功能及结构如下：1.2.1 主函数a、创建两个线程，并将返回的句柄存入数据中。b、创建两个信号量（allo , trac ）分别用语通知跟踪线程和记录线程。c 、用函数WaitForMultipleObjects 来等待两个线程的结束。1.2.2 Tracker 线程（记录内存的状况）a、打开文件，准备输出。b、等待现成Allocator的一次内存操作完毕（即等待信号量trac的释放）。c 、 用函数 GetSystemInfo 得到系统信息 （该信息不

9、随内存分配的变化而变化） 。d、用函数GlobalMemorySatus得到内存信息（随内存的分配各项信息会有所变化）。用函数VirtualQuery 得到虚拟内存基本信息（该信息不随内存分配的变化而变化）。e、释放信号量，通知Allocator线程可以进行下一次内存分配活动。1.2.3 Allocator 线程（模拟内存分配活动）a、打开文件（的输出结果），准备读入。b、等待Tracker输出的结束（即等待信号量allo的释放）。c、读文件（的输出结果）。d、根据文件内容（protection ）确定对内存操作时的权限。e、根据文件内容（oper）确定对内存的具体操作。f 、释放信号量（ t

10、rac ）通知线程可以进行一次输出。g、如果文件中所有的分配信息已经完成，线程退出，否则转到bo5-3 程序流程图及分析：makefile 函数 :先创建一个文件“ opfile ”，用以确定内存操作信息，随后用两层循环实现对文件写入内存操作的具体信息和结构。memory_op!S 数：主 函 数 main 主 要 是 生 成 两 个 线 程 和 两 个 信号 量 ， 最 后 用 函 数WaitForMultipleObjects 来等待两个线程的结束，退出程序。用信号量 trac 个 allo 实现线程 Tracker 和 Allocator 的同步。Tracker 线程主要用于跟踪内存分配

11、情况并打印信息到文档中， 所以 Tracker 中 首先要创建一个输出文件，然后输出系统消息、内存状态等。Allocator 线程用于内存分配及操作等。 首先要从 opfile 文件中逐个读取信息， 其次根据内容确定操作权限，用 switch语句实现：0代表只读，1代表可读写， 2代表可执行，3代表可执行可读，4代表可执行可读写。然后确定内存具体操 作，用switch实现：0代表保留一个区域，用函数 VirutalAlloc 实现；1代表 提交一个区域，用函数 VirtualA110c 实现；2代表锁一个区域，用函数 VirtualLock 实现；3代表解锁一个区域，用函数 VirtualUn

12、lock 实现；4代表 回收一个区域，用函数 VirtualFree 实现；5代表释放一个区域，用函数 VirtualFree 实现。makefile 函数和memory_o值函数：memory_op:接下页：makefile函数:makefile 函数:Y T . 结束tracker 函数：如下页:tracker 函数:allocator 函数：如下页allocator 函数:六 课程设计主要源代码1 makefile 函数程序的代码及注释如下：程序体：#include#include#include#includestruct operation inttime;/起始时间intblock

13、;/ 内存页数intoper;/操作int protection; /权限;int main() FILE *file;file=fopen(opfile,wb); /opfile 为二进制用以确定内存操作operation op;for(int j=0;j6;j+)/0-保留； 1-提交； 2-锁； 3-解锁； 4-回收；5-释放for(int i=0;i5;i+) op.time=rand()%1000; /随机生成等待时间op.block=rand()%5+1;/随机生成块大小op.oper=j;tection=i;fwrite(&op,sizeof(operation),1

14、,file); /将生成的结构写入文件return 0;2 memeroy_op 函数程序的代码及注释如下：#include#include#include#include#includestruct operationinttime;/起始时间intblock;/ 内存页数intoper;/操作int protection; /权限;struct trace/跟踪每一次分配活动的数据结构LPVOID start;/起始地址long size;/分配的大小;HANDLE allo,trac;/信号量句柄DWORD Tracker(LPDWORD lpdwparm)ofstream oufile

15、;/输出文件();for(int i=0;i=30;i+)WaitForSingleObject(trac,INFINITE);/ 等待 allocator 一次内存分配活 动结束/打印所有内存状况和系统状况outfileiendl;/以下一段显示系统消息，每次执行操作后系统消息不变/如果要才查看系统消息，可以取消注释/* SYSTEM_INFO info;/ 系统消息GetSystemInfo(&info);outfiledwActiveProcessorMasktiveProcessorMaskendl;outfiledwAllocationGranularitytinfo. dwAllo

16、cationGranularity endl;outfiledwNumberOfProcessorstinfo.dwNumberOfProcessors endl;outfiledwOemIdtIdendl;outfiledwPageSizeteSizeendl;outfiledwProcessorTypetcessorTypeendl;outfilelpMaximumApplicationAddresstinfo. lpMaximumApplicationAddressendl;outfilelpMinimumApplicationAddresstinfo. lpMinimumApplica

17、tionAddressendl;outfilewProcessorArchitecturetessorArchitectureendl;outfilewProcessorLeveltessorLevelendl;outfilewProcessorRevisiontessorRevisionendl;outfilewReserved:trvedendl;outfile”*”endl;*/内存状况MEMORYSTATUS status;内存状态GlobalMemoryStatus(&status);outfiledwAvailPageFiletilPageFileendl;outfiledwAva

18、ilPhystilPhysendl;outfiledwAvailVirtualtilVirtualendl;outfiledwLengthtgthendl;outfiledwMemoryLoadtoryLoadendl;outfiledwTotalPageFiletalPageFileendl;outfiledwTotalPhytalPhysendl;outfiledwTotalVirtualtalVirtualendl;ou情le& &endl;/以下一段显示内存基本信息，每次操作内存基本信息不变 /如果要查看内存基本信息，可以取消注释/*MEMORY_BASIC_INFORMATION m

19、en;VirtualQuery( imumApplicationAddress,&men,sizeof(MEMORY_BASIC_INFO RMATION) );outfileAllocationBasetationBaseendl;outfileAllocationProtecttationProtectendl;outfileBaseAddresstddressendl;outfileProtecttctendl;outfileRegionSizetnSizeendl;outfileStatetendl;outfileTypetendl;endl;outfile*/释放信号量通知alloc

20、ator可以进行下一次内存分配活动ReleaseSemaphore(allo,1,NULL);return(0);void Allocator()/模拟内存分配活动的线程trace traceArray5;int index=0;FILE *file;file=fopen(opfile,rb); 读入文件operation op;SYSTEM_INFO info;DWORD temp;GetSystemInfo(&info);for(int i=0;i30;i+)WaitForSingleObject(allo,INFINITE);/等彳f tracker打印结束的信号e单couti:;fre

21、ad(&op,sizeof(operation),1,file);Sleep(op.time);/执行时间， 如果想在指定时间执行可以取消注释GetSystemInfo(&info);switch(tection)/根据文件内容确定权限case 0:index=0;temp=PAGE_READONLY;break;case 1:temp=PAGE_READWRITE;break;case 2:temp=PAGE_EXECUTE;break;case 3:temp=PAGE_EXECUTE_READ;break;case 4:temp=PAGE_EXECUTE_READWRITE;b

22、reak;default:temp=PAGE_READONLY;switch(op.oper)case 0: /保留一个区域coutreserve nowendl;traceArrayindex.start=VirtualAlloc(NULL,op.block*eSize,MEM_RESERVE,P AGE_NOACCESS);traceArrayindex+.size=op.block*eSize;coutstartingaddress:traceArrayindex-1.start/tsize:traceArrayindex-1.sizeendl ;break;case 1: /提交一个区

23、域coutcommit nowendl;traceArrayindex.start=VirtualAlloc(traceArrayindex.start,traceArrayindex.si ze,MEM_COMMIT,temp);index+;coutstartingaddress:traceArrayindex-1.start/tsize:traceArrayindex-1.sizeendl ;break;case 2: / 锁一个区域coutlock now endl;coutstartingaddress:traceArrayindex.starttsize:traceArrayind

24、ex.sizeendl;if(!VirtualLock(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size)coutGetLastError()endl;GetLastError()函数返回错 误号break;case 3:/解锁一个区域/coutunlock nowendl;coutstartingaddress:traceArrayindex.starttsize:traceArrayindex.sizeendl;if(!VirtualUnlock(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size)coutGetLa

25、stError()endl;break;case 4:/回收一个区域coutdecommit nowendl;coutstartingaddress:traceArrayindex.starttsize:traceArrayindex.sizeendl;if(!VirtualFree(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size,MEM_DECOM MIT)coutGetLastError()endl;break;case 5: /释放一个区域coutrelease nowendl;coutstartingaddress:traceArrayindex

26、.starttsize:traceArrayindex.sizeendl;if(!VirtualFree(traceArrayindex+.start,0,MEM_RELEASE)coutGetLastError()endl;break;default:couterrorendl;ReleaseSemaphore(trac,1,NULL); 释放信号量通知 tracker可以打印 信息int main() DWORD dwThread;HANDLE handle2;/生成两个线程handle0=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)Tracke

27、 r,NULL,0,&dwThread);handle1=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)Allocat or,NULL,0,&dwThread);/生成两个信号量allo=CreateSemaphore(NULL,0,1,allo);trac=CreateSemaphore(NULL,1,1,trac);/等待线程执行结束后，再退出WaitForMultipleObjects(2,handle,TRUE,INFINITE);return 0;七 运行结果及分析结果归纳：1） 保留一块区域的操作减少了 dwAvailVirtual （在用户状态下虚拟地址空间中的未保留与未提交的存储空间） 。2）提交一块区域的操作只减少了dwAvailPageFile （页面文件中可用的字节数） 。3）锁一块区域的操作只减少了dwAvailPhys （物理存储空间中可用的字节数） 。4）解锁一块区域的操作有