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，并对系统运行的机制有一个全面的

2、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WindowsXP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（physicalmemory）和页面文件（pagefile

3、）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WindowsXP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。WindowsXP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（Reser

4、ved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（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，从而变成保留页面。四 设计详细要求使用windows2000/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

5、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

6、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一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makefil

7、e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_EXECUTEPAGE_EXECUTE_READAGE_EXECUTE_READW用随机数生成等待执行的时间和分配的粒度。内存操作模块memory-op模块的主要功能及结构如下：2.2.1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

8、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。2.2.2Tracker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。2.2.3A

9、llocator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（trac）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函数：主函数main主要是生成两个

10、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Vi

11、rutalAlloc实现；1代表提交一个区域，用函数VirtualAlloc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VirtualUnlock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_op主函数：memory_op:接下页：makefile函数:makefile函数:开始YTtracker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1makefile函数程序的代码及注释如下：程序

12、体：#include<fstream.h>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<time.h>structoperationinttime;/起始时间intblock;/内存页数intoper;/操作intprotection;/权限;intmain()FILE*file;file=fopen("opfile","wb");/"opfile"为二进制用以确定内存操作operationop;for(intj=0;j<6;j+)/0-保

13、留；1-提交；2-锁；3-解锁；4-回收；5-释放for(inti=0;i<5;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,file);/将生成的结构写入文件return0;2memeroy_op函数程序的代码及注释如下：#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<windows.h>#include<ios

14、tream.h>#include<fstream.h>structoperationinttime;/起始时间intblock;/内存页数intoper;/操作intprotection;/权限;structtrace/跟踪每一次分配活动的数据结构LPVOIDstart;/起始地址longsize;/分配的大小;HANDLEallo,trac;/信号量句柄DWORDTracker(LPDWORDlpdwparm)ofstreamoutfile;/输出文件("");for(inti=0;i<=30;i+)WaitForSingleObject(trac

15、,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outfile<<i<<endl;/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_INFOinfo;/系统消息GetSystemInfo(&info);outfile<<"dwActiveProcessorMask"<<'t'<<iveProcessorMask<<endl;outfile<<"dwAllocat

16、ionGranularity"<<'t'<<info.dwAllocationGranularity<<endl;outfile<<"dwNumberOfProcessors"<<'t'<<info.dwNumberOfProcessors<<endl;outfile<<"dwOemId"<<'t'<<Id<<endl;outfile<<"dwP

17、ageSize"<<'t'<<eSize<<endl;outfile<<"dwProcessorType"<<'t'<<cessorType<<endl;outfile<<"lpMaximumApplicationAddress"<<'t'<<info.lpMaximumApplicationAddress<<endl;outfile<<"lpM

18、inimumApplicationAddress"<<'t'<<info.lpMinimumApplicationAddress<<endl;outfile<<"wProcessorArchitecture"<<'t'<<essorArchitecture<<endl;outfile<<"wProcessorLevel"<<'t'<<essorLevel<<endl;

19、outfile<<"wProcessorRevision"<<'t'<<essorRevision<<endl;outfile<<"wReserved:"<<'t'<<rved<<endl;outfile<<"*"<<endl;*/内存状况MEMORYSTATUSstatus;/内存状态GlobalMemoryStatus(&status);outfile<<&qu

20、ot;dwAvailPageFile"<<'t'<<ilPageFile<<endl;outfile<<"dwAvailPhys"<<'t'<<ilPhys<<endl;outfile<<"dwAvailVirtual"<<'t'<<ilVirtual<<endl;outfile<<"dwLength"<<'t

21、9;<<gth<<endl;outfile<<"dwMemoryLoad"<<'t'<<oryLoad<<endl;outfile<<"dwTotalPageFile"<<'t'<<alPageFile<<endl;outfile<<"dwTotalPhy"<<'t'<<alPhys<<endl;outfile<&l

22、t;"dwTotalVirtual"<<'t'<<alVirtual<<endl;outfile<<"&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&a

23、mp;&&&&&&&&&&&&&&&"<<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_INFORMATIONmen;VirtualQuery(imumApplicationAddress,&men,sizeof(MEMORY_BASIC_INFORMATION);outfile<<"AllocationBase"<<&

24、#39;t'<<ationBase<<endl;outfile<<"AllocationProtect"<<'t'<<ationProtect<<endl;outfile<<"BaseAddress"<<'t'<<ddress<<endl;outfile<<"Protect"<<'t'<<ct<<endl;outf

25、ile<<"RegionSize"<<'t'<<nSize<<endl;outfile<<"State"<<'t'<<<<endl;outfile<<"Type"<<'t'<<<<endl;outfile<<""<<endl;*/释放信号量通知allocator可以进行下一次内存分配活动ReleaseS

26、emaphore(allo,1,NULL);return(0);voidAllocator()/模拟内存分配活动的线程tracetraceArray5;intindex=0;FILE*file;file=fopen("opfile","rb");/读入文件operationop;SYSTEM_INFOinfo;DWORDtemp;GetSystemInfo(&info);for(inti=0;i<30;i+)WaitForSingleObject(allo,INFINITE);/等待tracker打印结束的信号cout<<i&l

27、t;<":"fread(&op,sizeof(operation),1,file);消注释Sleep(op.time);/执行时间，如果想在指定时间执行可以取GetSystemInfo(&info);switch(tection)/根据文件内容确定权限case0:index=0;temp=PAGE_READONLY;break;case1:temp=PAGE_READWRITE;break;case2:temp=PAGE_EXECUTE;break;case3:temp=PAGE_EXECUTE_READ;break;case4:temp=

28、PAGE_EXECUTE_READWRITE;break;default:temp=PAGE_READONLY;switch(op.oper)case0:/保留一个区域cout<<"reservenow"<<endl;traceArrayindex.start=VirtualAlloc(NULL,op.block*eSize,MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS);traceArrayindex+.size=op.block*eSize;cout<<"startingaddress:"<<tr

29、aceArrayindex-1.start<<'/t'<<"size:"<<traceArrayindex-1.size<<endlJbreak;case1:/提交一个区域cout<<"commitnow"<<endl;traceArrayindex.start=VirtualAlloc(traceArrayindex.start,traceArrayindex.size,MEM_COMMIT,temp);index+;cout<<"starti

30、ngaddress:"<<traceArrayindex-1.start<<'/t'<<"size:"<<traceArrayindex-1.size<<endlJbreak;case2:/锁一个区域cout<<"locknow"<<endl;cout<<"startingaddress:"<<traceArrayindex.start<<'t'<<"s

31、ize:"<<traceArrayindex.size<<endl;if(!VirtualLock(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size)cout<<GetLastError()vvendl;/GetLastError()函数返回错误号break;case3:/解锁一个区域cout<<"unlocknow"<<endl;cout<<"startingaddress:"<<traceArrayindex.start

32、<<'t'<<"size:"<<traceArrayindex.size<<endl;if(!VirtualUnlock(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size)cout<<GetLastError()<<endl;break;case4:/回收一个区域cout<<"decommitnow"<<endl;cout<<"startingaddress:"<<

33、;traceArrayindex.start<<'t'<<"size:"<<traceArrayindex.size<<endl;if(!VirtualFree(traceArrayindex.start,traceArrayindex+.size,MEM_DECOMMIT)cout<<GetLastError()<<endl;break;case5:/释放一个区域cout<<"releasenow"<<endl;cout<<&qu

34、ot;startingaddress:"<<traceArrayindex.start<<'t'<<"size:"<<traceArrayindex.size<<endl;if(!VirtualFree(traceArrayindex+.start,0,MEM_RELEASE)cout<<GetLastError()<<endl;break;default:cout<<"error"<<endl;ReleaseSemaphore(trac,1,NULL);/释放信号量通知tracker可以打印信息intmain()DWORDdwThread;HANDLEhandle2;/生成两个线程handle0=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)Tracker,NULL,0,&dwThread);handle1=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)Allocator,NULL,0,&dwThread);/生成两个信号量allo=CreateSemap