计算机操作系统.docx

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计算机操作系统

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：

2008-5-23

1课程设计意义……………………………………………………3

2课程设计内容……………………………………………………3

3课程设计目的……………………………………………………3

4设计详细要求……………………………………………………4

5课程设计说明……………………………………………………4

6课程设计源代码…………………………………………………10

7运行结果及分析…………………………………………………19

8设计总结和体会…………………………………………………20

9参考文献…………………………………………………………20

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：

⑴自定义内存管理策略对应的数据结构；

⑵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；

⑶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）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（Reserved）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—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_READONLY、PAGE_READWRITE、PAGE_EXECUTE、PAGE_EXECUTE_READ、PAGE_EXECUTE_READWRITE）用随机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：

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。

2.2.3Allocator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b。

5-3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VirutalAlloc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:

创建线程Tracker,Allocator

创建信号量trac,allo

两线程执行完毕？

N

Y

结束

开始

接下页：

makefile函数：

makefile函数：

创建文件opfile

修改操作信息

将信息写入文件

所有信息写入完毕？

N

Y

开始

结束

tracker函数：

如下页：

tracker函数：

建立输出文件

Allocator的一次操作结束？

输出信息到

所有的记录结束？

N

Y

N

N

tracker函数

结束

allocator函数：

如下页

allocator函数：

读文件opfile

Tracker一次显示结束？

确定操作权限

N

Y

执行操作

所有操作执行完毕？

N

Y

Allocator函数

结束

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

#include

structoperation

{inttime;//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;

op.protection=i;

fwrite（&op,sizeof（operation）,1,file）;//将生成的结构写入文件

}

return0;

}

2．memeroy_op函数程序的代码及注释如下：

#include

#include

#include

#include

#include

structoperation

{inttime;//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,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<

//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'<

outfile<<"dwAllocationGranularity"<<'\t'<

outfile<<"dwNumberOfProcessors"<<'\t'<

outfile<<"dwOemId"<<'\t'<

outfile<<"dwPageSize"<<'\t'<

outfile<<"dwProcessorType"<<'\t'<

outfile<<"lpMaximumApplicationAddress"<<'\t'<

outfile<<"lpMinimumApplicationAddress"<<'\t'<

outfile<<"wProcessorArchitecture"<<'\t'<

outfile<<"wProcessorLevel"<<'\t'<

outfile<<"wProcessorRevision"<<'\t'<

outfile<<"wReserved:

"<<'\t'<

outfile<<"********************************************************"<

*/

//内存状况

MEMORYSTATUSstatus;//内存状态

GlobalMemoryStatus（&status）;

outfile<<"dwAvailPageFile"<<'\t'<

outfile<<"dwAvailPhys"<<'\t'<

outfile<<"dwAvailVirtual"<<'\t'<

outfile<<"dwLength"<<'\t'<

outfile<<"dwMemoryLoad"<<'\t'<

outfile<<"dwTotalPageFile"<<'\t'<

outfile<<"dwTotalPhy"<<'\t'<

//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"<<'\t'<

outfile<<"BaseAddress"<<'\t'<

outfile<<"Protect"<<'\t'<

outfile<<"RegionSize"<<'\t'<

outfile<<"State"<<'\t'<<<

outfile<<"Type"<<'\t'<<<

outfile<<"~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~"<

*///释放信号量通知allocator可以进行下一次内存分配活动

ReleaseSemaphore（allo,1,NULL）;

}

return（0）;

}

voidAllocator（）//模拟内存分配活动的线程

{

tracetraceArray[5];

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打印结束的信号量

cout<

";

fread（&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（op.protection）//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=PAGE_EXECUTE_READWRITE;

break;

default:

temp=PAGE_READONLY;

}

switch（op.oper）

{

case0:

//保留一个区域

{

cout<<"reservenow"<

traceArray[index].start=VirtualAlloc（NULL,op.block*eSize,MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS）;

traceArray[index++].size=op.block*eSize;

cout<<"startingaddress:

"<

"<

break;

}

case1:

//提交一个区域

{

cout<<"commitnow"<

traceArray[index].start=VirtualAlloc（traceArray[index].start,traceArray[index].size,MEM_COMMIT,temp）;

index++;

cout<<"startingaddress:

"<

"<

break;

}

case2:

//锁一个区域

{

cout<<"locknow"<

cout<<"startingaddress:

"<

"<

if（!

VirtualLock（traceArray[index].start,traceArray[index++].size））

cout<

break;

}

case3:

//解锁一个区域

{

cout<<"unlocknow"<

cout<<"startingaddress:

"<

"<

if（!

VirtualUnlock（traceArray[index].start,traceArray[index++].size））

cout<

break;

}

case4:

//回收一个区域

cout<<"decommitnow"<

cout<<"startingaddress:

"<

"<

if（!

VirtualFree（traceArray[index].start,traceArray[index++].size,MEM_DECOMMIT））

cout<

break;

case5:

//释放一个区域

{

cout<<"releasenow"<

cout<<"startingaddress:

"<

"<

if（!

VirtualFree（traceArray[index++].start,0,MEM_RELEASE））

cout<

break;

}

default:

cout<<"error"<

}

ReleaseSemaphore（trac,1,NULL）;//释放信号量通知tracker可以打印信息

}

}

intmain（）

{DWORDdwThread;

HANDLEhandle[2];

//生成两个线程

handle[0]=C