虚存管理OS实验[推荐]_虚存管理os实验

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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；（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

1.2.3.4.建立“Win32 Console Application”工程“vmm”。建立“C/C++ Header File”头文件“vmm.h”，文件内容参见“程序代码”。建立“C++ Source File”源文件“vmm.cpp”，文件内容参见“程序代码”。建立“Text File”文本文件“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)/* 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 struct { unsigned int blockNum;//物理块号

BOOL filled;//页面装入特征位

BYTE 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 } MemoryAcceRequestType;

/* 访存请求 */ typedef struct { MemoryAcceRequestType reqType;//访存请求类型

unsigned long virAddr;//虚地址 BYTE value;//写请求的值

} MemoryAcceRequest, *Ptr_MemoryAcceRequest;

/* 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 ERROR_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_PageTableItem, 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 pageTable[PAGE_SUM];/* 实存空间 */

BYTE actMem[ACTUAL_MEMORY_SIZE];/* 用文件模拟辅存空间 */ FILE *ptr_auxMem;/* 物理块使用标识 */ bool blockStatus[BLOCK_SUM];/* 访存请求 */ Ptr_MemoryAcceRequest ptr_memAccReq;

/* 初始化环境 */ void do_init(){

srand((unsigned int)time(NULL));for(int i = 0;i

pageTable[i].filled = false;pageTable[i].edited = false;pageTable[i].count = 0;/* 使用随机数设置该页的保护类型 */ switch(rand()% 7){

case 0: { pageTable[i].proType = READABLE;break;} case 1: { pageTable[i].proType = WRITABLE;break;} case 2: {

} {

} case 4: { pageTable[i].proType = READABLE | EXECUTABLE;pageTable[i].proType = EXECUTABLE;break;case 3:

pageTable[i].proType = READABLE | WRITABLE;break;

break;} case 5: { pageTable[i].proType = WRITABLE | EXECUTABLE;

} case 6: {

} pageTable[i].proType = READABLE | WRITABLE | EXECUTABLE;break;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 */

}

/* 响应请求 */ void do_response(){

} {

} pageTable[i].auxAddr = i * PAGE_SIZE * 2;for(int j = 0;j

/* 检查地址是否越界 */ if(ptr_memAccReq->virAddr

{

} ptr_memAccReq->virAddr >= VIRTUAL_MEMORY_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 = &pageTable[pageNum];

/* 根据特征位决定是否产生缺页中断 */ if(!ptr_pageTabIt->filled){ }

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);do_page_fault(ptr_pageTabIt);return;} /* 读取实存中的内容 */ printf(“读操作成功：值为%02Xn”, actMem[actAddr]);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 */ actMem[actAddr] = 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++;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

if(!blockStatus[i]){

/* 读辅存内容，写入到实存 */ do_page_in(ptr_pageTabIt, i);

/* 更新页表内容 */ ptr_pageTabIt->blockNum = i;ptr_pageTabIt->filled = true;ptr_pageTabIt->edited = false;ptr_pageTabIt->count = 0;

}

blockStatus[i] = 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){

}

/* 将辅存内容写入实存 */ void do_page_in(Ptr_PageTableItem ptr_pageTabIt, unsigned int blockNum)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

if(pageTable[i].count

} min = pageTable[i].count;page = i;} printf(“选择第%u页进行替换n”, page);if(pageTable[page].edited){ /* 页面内容有修改，需要写回至辅存 */ printf(“该页内容有修改，写回至辅存n”);} do_page_out(&pageTable[page]);pageTable[page].filled = false;pageTable[page].count = 0;/* 读辅存内容，写入到实存 */ do_page_in(ptr_pageTabIt, pageTable[page].blockNum);

/* 更新页表内容 */ ptr_pageTabIt->blockNum = pageTable[page].blockNum;ptr_pageTabIt->filled = true;ptr_pageTabIt->edited = false;ptr_pageTabIt->count = 0;printf(“页面替换成功n”);

{

unsigned int readNum;if(fseek(ptr_auxMem, ptr_pageTabIt->auxAddr, SEEK_SET)

{ 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)blockNum * 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 ERROR_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(){

}

/* 打印页表 */ void do_print_info(){ /* 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 = REQUEST_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;

} char str[4];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

}

pageTable[i].blockNum, pageTable[i].filled，pageTable[i].edited, get_proType_str(str, pageTable[i].proType), pageTable[i].count, pageTable[i].auxAddr);

/* 获取页面保护类型字符串 */ char *get_proType_str(char *str, BYTE type){

} if(type & READABLE)str[0] = 'r';else str[0] = '-';if(type & WRITABLE)else str[1] = '-';if(type & EXECUTABLE)str[2] = 'x';else str[2] = '-';str[3] = '';return str;str[1] = 'w';int main(int argc, char* argv[]){

if(!(ptr_auxMem = fopen(AUXILIARY_MEMORY, “r+”))){

}

do_init();do_print_info();do_error(ERROR_FILE_OPEN_FAILED);exit(1);ptr_memAccReq =(Ptr_MemoryAcceRequest)malloc(sizeof(MemoryAcceRequest));/* 在循环中模拟访存请求与处理过程 */

while(true){

}

} do_request();do_response();do_print_info();/* 随机休眠5～10秒 */ Sleep(5000 +(rand()% 5)* 5000);if(fclose(ptr_auxMem)== EOF){

} do_error(ERROR_FILE_CLOSE_FAILED);exit(1);return(0);

八、实验测试（程序运行结果显示）