内存管理实验指导书

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1、内存管理实验指导书第四章内存管理实验指导书1实验概述　　内存管理实验主要对用户进程内存分配和回收进行验证。下面将用户进程内存分配和回收简称为内存分配和回收。内存管理实验包括内存分配、回收验证实验和PFN机制验证实验两部分。内存分配、回收实验分析了内存的页面分配和堆分配机制，论述了WindowsAPI中的VirtualAlloc和HeapAlloc函数对内核函数的调用过程以及VirtualFree和HeapFree函数对内核函数的调用过程。PFN机制实验分析了页面的页框号的状态迁移过程，调用VirtualProtect函数对页面的页框号状态进行修改

2、，并修改内核代码，调整页面页框号状态，验证PFN机制。2内存分配与回收验证实验2.1内存分配与回收分析　　WindowsAPI中有两类内存分配函数。分别是VirtualAlloc和HeapAlloc。前一种是向操作系统申请4KB为边界的整块内存，后者是分配任意大小的内存块。区别在于：后者的实现依赖于前者。在内存管理分配实验中，我们将了解分配一些页面和进行堆分配的不同操作过程。(1)基于页面的内存分配和回收　　基于页面的内存分配和回收包括以下几个步骤：　　保留：当进程被创建并被赋予它的地址空间时，该可用地址空间的主体是空闲的，即未分配。若要使用该地

3、址空间的各个部分，必须通过调用VirtualAlloc函数分配它里边的各个区域。对一个地址空间的区域进行分配的操作称为保留(Reserving)。　　提交：当需要使用已保留的地址空间区域，必须分配物理存储器，然后将该物理存储器映射到已保留的地址空间区域。这个过程称为提交物理存储器，通过调用VirtualAlloc函数实现。　　回收：回收的内存仍然被保留，调用VirtualFree函数实现。如果进程需要使用被保留的区域，可通过提交将物理存储器映射到已保留的地址空间区域。　　释放：当你的程序算法不再需要访问已经保留的地址空间区域时，该区域应该被释放。

4、这个过程称为释放地址空间的区域，它是通过调用VirtualFree函数完成。在页面释放的过程中，只需将页面（工作集中未修改的）挂在空闲页面链表中即可。(2)基于堆的内存分配和回收分析　　得到句柄：线程调用GetProcessHeap函数得到一个指向它的句柄。该函数返回描述该进程的默认堆的堆数据结构的地址。　　分配内存块：在得到句柄后，线程可以调用HeapAlloc函数从堆中分配内存块。堆分配是基于内存的页面分配操作。　　回收内存块：线程调用HeapFree函数从堆中回收内存快。堆回收也是基于内存的页面分配操作。　　操作系统管理内存的最小单位是4K

5、B，这个粒度是一个固定值（其实根据芯片是可以做调整的。这里只讨论最普遍的情况）。但用户的资料不可能恰好都是4KB大小。用4KB作单位，难免会产生浪费。解决办法是依靠用户态代码的薄计工作，实现比4KB单位更小的分配粒度。换句话说，用户态的程序需要实现一个MemoryManager，通过自身的管理，在4KB为粒度的基础上，提供以字节为粒度的内存分配，释放功能，并且能平衡好时间利用率和空间利用率。　　Windows提供了HeapManager完成上述功能。HeapAlloc函数是HeapManager的分配函数。HeapManager的工作方式如下：首

6、先分配足够的大的4KB倍数的连续内存空间；然后在这块内存上开辟一小块区域用做薄计；接下来把这连续的大块内存分割成很多尺寸不等的小块，把每一小块的信息记录到薄计里。薄计里记录了每一小块的起始地址和长度，以及是否已经分配。　　当内存请求发生时，HeapManager根据请求的长度，在薄计信息里面找到大小最合适的一块空间，并把这块空间标记为已分配，然后把这块空间的地址返回，这样就完成一次内存分配。如果找不到长度足够大的空闲小块，HeapManager继续以4KB为粒度向系统申请更多的内存。　　当用户需要释放内存的时候，调用HeapFree函数，同时传入

7、起始地址。HeapManager在薄计信息中找到这块地址，然后把这块地址的信息由已分配改回未分配。当HeapManager发现有大量的连续空闲空间时，也会调用VirtualFree来把这些内存归还给操作系统。(3)虚拟地址描述符　　进程的虚拟地址空间由一个结构描述，即虚拟地址描述符（VirtualAddressDescriptor）VAD：用来描述哪些虚拟地址已经在进程的地址空间中被保留，哪些没有被保留。每个进程都维持着一组虚拟地址描述信息，用来描述进程地址空间的状态。一个典型的VAD结构如图4-1所示：图4-1VAD结构示例图　　VAD树的作用

8、是：当分配地址空间时，Windows内存管理器描述用于进程的内存区域。当一个进程用VirtualAlloc分配内存时，内存管理器创建一个