虚存管理OS实验

1、精选优质文档-倾情为你奉上实验三 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

2、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. 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“Te

3、xt 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

4、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 structunsigned int blockNum; /物理块

5、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 MemoryAccessRequestType;/* 访存请求 */typedef structMemoryAccessRequestType req

6、Type; /访存请求类型unsigned long 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_FIL

7、E_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

8、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 <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <time.h

9、>#include <windows.h>#include "vmm.h"/* 页表 */PageTableItem pageTablePAGE_SUM;/* 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)

10、time(NULL);for (int i = 0; i < PAGE_SUM; i+)pageTablei.filled = false;pageTablei.edited = false;pageTablei.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:pag

11、eTType = READABLE | WRITABLE;break;case 4:pageTType = READABLE | EXECUTABLE;break;case 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

12、PAGE_SIZE的整数倍 */pageTablei.auxAddr = i * PAGE_SIZE * 2;for (int j = 0; j < BLOCK_SUM; j+)/* 随机选择一些物理块进行页面装入 */if (rand() % 2 = 0)do_page_in(&pageTablej, j);pageTablej.blockNum = j;pageTablej.filled = true;blockStatusj = true;elseblockStatusj = false;/* 响应请求 */void do_response()Ptr_PageTableIt

13、em ptr_pageTabIt;unsigned int pageNum, offAddr;unsigned int actAddr;/* 检查地址是否越界 */if (ptr_memAccReq->virAddr < 0 | 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-&g

14、t;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(ptr_pageTabIt);actAddr = ptr_pageTabIt->blockNum * PAGE_SIZE + offAddr;printf("实地址为：%un", actA

15、ddr);/* 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%02Xn", actMemactAddr);break;case REQUEST_WRITE: /写请求ptr_pageTabI

16、t->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+;if (!(ptr_pageTabIt->p

17、roType & 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 < BLOCK_SUM; i+)

18、if (!blockStatusi)/* 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;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(

19、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+)if (pageTablei.count < min)min = pageTablei.count;page = i;printf("选择第%u页进行替换n", page);if (pageTablepage.edited)/* 页面内容有修改，需要写回至辅存 */printf(

20、"该页内容有修改，写回至辅存n");do_page_out(&pageTablepage);pageTablepage.filled = false;pageTablepage.count = 0;/* 读辅存内容，写入到实存 */do_page_in(ptr_pageTabIt, pageTablepage.blockNum);/* 更新页表内容 */ptr_pageTabIt->blockNum = pageTablepage.blockNum;ptr_pageTabIt->filled = true;ptr_pageTabIt->edited

21、 = 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->auxAddr, SEEK_SET) < 0)exit(1);if (readNum = fread(actMem + blockNum * PAGE_SIZE, siz

22、eof(BYTE), PAGE_SIZE, ptr_auxMem) < PAGE_SIZE)exit(1);printf("调页成功：辅存地址%u->>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) < 0)exi

23、t(1);if (writeNum = fwrite(actMem + ptr_pageTabIt->blockNum * PAGE_SIZE, sizeof(BYTE), PAGE_SIZE, ptr_auxMem) < PAGE_SIZE)do_error(ERROR_FILE_WRITE_FAILED);exit(1);printf("写回成功：物理块%u->>辅存地址%un", ptr_pageTabIt->auxAddr, ptr_pageTabIt->blockNum);/* 错误处理 */void do_error(ERRO

24、R_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_BO

25、UNDARY: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

26、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

27、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+)