05_实验五_物理存储器与进程逻辑地址空间管理

物理存储器与进程逻辑地址空间管理

实验目的

• 通过查看物理存储器的使用情况，并练习分配和回收物理内存，从而掌握物理存储器的管理方法。

• 通过查看进程逻辑地址空间的使用情况，并练习分配和回收虚拟内存，从而掌握进程逻辑地址空间的管理方法。

预备知识

物理存储器的管理方式

EOS使用分页式存储管理方式，由页框号数据库PFN Database进行管理。其实质是一个数组，长度与页数量一致。定义如下

typedef struct _MMPFN
{
	ULONG Unused : 9;		// 未使用
	ULONG PageState : 3;	// 页状态
	ULONG Next : 20;		// 下一个框号
}MMPFN, *PMMPFN;

物理页目前有三种状态，定义如下

typedef enum _PAGE_STATE {
	ZEROED_PAGE,	// 0 零页，空闲，已0初始化
	FREE_PAGE,		// 1 自由页，空闲，未0初始化
	BUSY_PAGE,		// 2 占用页，被占用
} PAGE_STATE;

ZEROED_PAGE和FREE_PAGE的数据库构成链表，分配时只需要移除首部即可

MiAllocateAnyPages和MiAllocateZeroedPages两个函数分别负责优先从空闲分配空间和优先从零页分配空间。

同时还可以为EOS增加零页线程进行零初始化

实验内容

任务（一）：练习分配和释放物理页以及在系统进程中分配和释放虚拟页

阅读控制台命令“pm”相关的源代码，并查看其执行的结果

分配物理页和释放物理页

阅读控制台命令“vm”相关的源代码，并查看其执行结果

任务（二）：在应用程序进程中分配和释放虚拟页

本练习要求读者首先创建一个 EOS 应用程序，然后编写代码完成下列功能：

1. 调用 API 函数 VirtualAlloc，分配 一个整型变量所需的空间，并使用一个整型变量的指针指向这个空间。

2. 修改整型变量的值为 0xFFFFFFFF。在修改前输出整型变量的值，在修改后再输出整型变量的值。

3. 调用 API 函数 Sleep，等待 10 秒钟。

4. 调用 API 函数 VirtualFree，释放之前分配的整型变量的空间。

5. 进入死循环，这样应用程序就不会结束。

实验步骤

本实验仔细阅读代码过程未来得及及时记录，详见实验报告

EOSApp代码如下：

#include "EOSApp.h"
int main(int argc, char* argv[])
{
	// 1. 调用API函数`VirtualAlloc`，分配一个整型变量所需的空间，并使用一个整型变量的指针指向这个空间。
	PINT space = VirtualAlloc(0, sizeof(INT), MEM_RESERVE|MEM_COMMIT);
	// 2. 修改整型变量的值为`0xFFFFFFFF`。在修改前输出整型变量的值，在修改后再输出整型变量的值。
	printf("Before: 0x%X\n", *space);
	*space = 0xFFFFFFFF;
	printf("After: 0x%X", *space);
	// 3. 调用API函数`Sleep`，等待10秒钟。
	Sleep(1000);
	// 4. 调用API函数`VirtualFree`，释放之前分配的整型变量的空间。
	VirtualFree(space, 0, MEM_RELEASE);
	// 5. 进入死循环，这样应用程序就不会结束。
	while(1);
	return 0;
}

思考与练习：

1、如果分配了物理页后，没有回收，会对EOS操作系统造成什么样的影响？目前EOS 操作系统内核函数 MiAllocateAnyPages能处理所有物理页被分配完毕的情况吗？例如在没有可分配的物理页的情况下调用该内核函数，是否会返回失败？

操作系统将不能再使用未回收的物理页，如果分配的物理页没有回收，会造成自由页链表和零链表不断减少甚至为空，此时EOS可能会没有可用的物理页。

目前EOS操作系统内核函数 MiAllocateAnyPages不能处理物理页分配完毕的这种情况，调用该函数会返回失败。

2、尝试从性能的角度分析内核函数MiAllocateAnyPages和MiAllocateZeroedPages。尝试从安全性的角度分析分配零页的必要性。

性能上：调用MiAllocateAnyPages在某些情况下比调用MiAllocateZeroedPages更快速。

安全性上：分配零页更安全。如果一个物理页被操作系统存储过重要的信息后被释放，如果没有清零就分配给用户程序，则用户程序就可能从这个页中获取其重要信息。

3、尝试结合虚拟页的分配和释放说明产生空隙的原因。

产生空隙是由于虚拟页被释放造成的。在启动时会有一个初始化线程，初始化结束后就退出了，线程堆栈所分配的虚拟页也就被释放了。

4、调用MmAllocateVirtualMemory函数分配虚拟页时只使用了MEM_RESERVE标志，没有使用MEM_COMMIT标志，尝试说明这两个标志的区别。

使用MEM_RESERVE标志分配虚拟页时，没有为其映射实际的物理页。用MEM_COMMIT分配虚拟页时，会为其映射实际的物理页。