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  • 操作系统-存储器管理实验

    千次阅读 2018-01-03 20:09:06
    本课题实验的目的是,使学生实验存储器管理系统的设计方法;加深对所学各种存储器管理方案的了解;要求采用一些常用的存储器分配算法,设计一个存储器管理模拟系统并调试运行。 二、题目 存储器管理 三、要求及...
    存储器管理
    一、目的
    本课题实验的目的是,使学生实验存储器管理系统的设计方法;加深对所学各种存储器管理方案的了解;要求采用一些常用的存储器分配算法,设计一个存储器管理模拟系统并调试运行。
    二、题目
    存储器管理
    三、要求及提示
    1、要求采用一种常用的存储器分配算法,设计一个存储器管理模拟系统。允许进行多次的分配和释放,并可向用户反馈分配和释放情况及当前内存的情况;采用“命令菜单”选择和键盘命令输入的会话方式,根据输入请求调用分配模块,或回收模块,或内存查询模块,或最终退出系统。
    2、编程实现。
    3、工具:C 语言或其它高级语言
    4、实验时间:2 学时
    四、实验报告
    1、写出存储器管理的思想。
    2、画出算法流程图和设置的数据结构。
    3、写出调试程序出现的问题及解决的方法。
    4、打印实验报告及程序清单。
    5、报告给出测试的结果。
    五、范例
    采用可变分区存储器管理方案的模拟系统。
    1、问题描述
    该模拟系统的外部特性与真实系统基本一样。存储分配算法采用首次适应法。用“拼,接”和“紧凑”技术来处理存储器碎片。
    2、算法
    存储分配算法采用首次适应(FF)法。根据指针 freep 查找自由链,当找到第一块可满足分配请求的空闲区时便分配之。当某空闲区被分配后的剩余空闲区空间大于规定的碎片最小容量 min 时,则形成一个较小的空闲区留在自由链中。回收时,根据 MAT 将指定分区链入自由链。若该分区有前邻或后邻空闲分区,则将他们拼接成一块加大的空闲区。当某个分配请求不能被满足,但此时系统中所有碎片总量满足分配请求的容量时,系统立即进入内存“紧凑”以消除碎片。即将各作业占用区集中下移到用户内存区的下部(高地址部分),形成一片连接的作业区,而在用户内存区的上部形成一块较大的空闲区。然后再进行分配。

    本系统的主要程序模块包括:分配模块 ffallocation,回收模块 ffcolection,紧凑模块coalesce 及命令处理模块 menu。Menu 用以模拟系统的输入,采用“命令菜单”选择和键盘命令输入的会话方式,根据输入请求调用分配模块,或回收模块,或内存查询模块,或最终退出系统。


    系统的主流程如图 3 所示。

    3、数据结构
    (1) 自由链与区头。内存空闲区采用自由链结构。链首由 freep 指向,链中各个空闲区按地址递增次序排列。初启时整个用户内存区为一个空闲区。在每个空闲区首部设置一个区头(freearca)结构。区头信息包括:
    size 空闲区大小(以字节计),包括区头所占空间;
    next 前向链指针,指向下一个空闲区;
    back 反向链指针,指向上一个空闲区;
    address 本空闲区首地址。
    (2) 内存分配表 MAT。系统设置一个 MAT,每个运行作业都在 MAT 中占有一个表目,回收分区时清除相应表目。表目信息包括:
    name 用户作业名;
    length 作业区大小;
    addr 作业区首地址;

    4、程序清单

    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    
    #define TOTAL 5000
    #define SETADDRESS 2000
    #define MIN 100
    #define MAX 10
    
    typedef struct freearea
    {	int address;
    	int size;
    	struct freearea  *next;
    	struct freearea  *back;
    }*freeptr;
    
    typedef struct  mat
    {	char	name;
    	int	address;
    	int	length;
    	struct  mat *next;
    	struct  mat *back;
    }*jobptr;
    
    char string[10];
    long totalfree;
    char jobnumber;
    
    freeptr freep;
    jobptr jobp;
    
    /********初始化**********/
    int init()
    {
    	freep=(freeptr)malloc(sizeof(struct freearea));
    	freep->size=TOTAL;
    	freep->address=SETADDRESS;
    	freep->next=NULL;
    	freep->back=NULL;
    	totalfree=TOTAL;
    	jobp=NULL;
    	jobnumber=0;
    	return(0);
    }
    
    /******分配模块*******/
    int fengpei(int jl,char jn)
    {
    	freeptr fp;
    	jobptr jp,jp1,jp2;
    
    	jp2=(jobptr)malloc(sizeof(struct mat));
    
    	if(totalfree<jl)  return(1);
    	fp=freep;
    	while(fp!=NULL)
    	{
    		if(fp->size<jl)	
    			fp=fp->next;
    		else
    		{
    			jobnumber=jobnumber+1;
    			totalfree=totalfree-jl;
    			jp2->name=jn;
    			jp2->length=jl;
    			jp2->address=freep->address;
    			if(jobp==NULL)
    			{	
    				jp2->next=NULL;
    				jp2->back=NULL;
    				jobp=jp2;
    			}
    			else
    			{
    				jp=jobp;
    				while(jp!=NULL&&(jp2->address<jp->address))
    				{	
    					jp1=jp;
    					jp=jp->next;
    				}
    				jp2->next=jp;
    				if(jp==NULL)
    				{
    					jp2->back=jp1;
    					jp1->next=jp2;
    				}
    				else
    				{	
    					jp2->back=jp->back;
    					if(jp->back!=NULL) 
    						jp1->next=jp2;
    					else 
    						jobp=jp2;
    					jp->back=jp2;
    				}
    			}
    			if((fp->size-jl)<MIN)
    			{	
    				if(fp->next!=NULL)
    					fp->next->back=fp->back;
    				if(fp->back!=NULL)	
    					fp->back->next=fp->next;
    				else	
    					freep=fp->next;
    				/*	return();*/
    			}
    			else
    			{
    				fp->size=fp->size-jl;
    				fp->address=fp->address+jl;
    			}
    			return(2);
    		}
    		if(totalfree>=jl) 
    			return(0);
    	}
    }
    /*********显示模块*********/
    void xianshi()
    {
    	jobptr  jp;
    
    	/****清屏****/
    	if(jobnumber<=0)
    		printf("NO JOB!");
    	else
    	{
    		printf("name\t\tlength\t\taddress\n");
    		jp=jobp;
    		while(jp!=NULL)
    		{
    			printf("%c\t\t%d\t\t%d\n",jp->name,jp->length,jp->address);
    			jp=jp->next;
    		}
    	}
    	printf("\nthe total left is %d bytes:",totalfree);
    }
    
    /******回收模块********/
    void huishou(char jn)
    {
    	freeptr fp,fp1,fp2;
    	jobptr jp;
    	int f=0;
    
    	jp=jobp;
    	while((jp!=NULL)&&(jp->name!=jn))
    		jp=jp->next;
    	if(jp!=NULL)
    	{
    		jobnumber=jobnumber-1;
    		totalfree=totalfree+jp->length;
    		if(freep==NULL)
    		{
    			freep=(freeptr)malloc(sizeof(struct freearea));
    			freep->address=jp->address;
    			freep->size=jp->address;
    			freep->next=NULL;
    			freep->back=NULL;
    		}
    		else
    		{
    			fp=freep;
    			while((fp!=NULL)&&(fp->address<jp->address))
    			{
    				fp1=fp;
    				fp=fp->next;
    			}
    			if(fp!=NULL)
    			{
    				if((fp->next!=NULL)&&(fp->next->address=jp->address+jp->length))
    					f=f+1;
    				if((fp->back!=NULL)&&(jp->address=fp1->address+fp1->size))
    					f=f+2;
    			}
    			else if((jp->address)=(fp1->address+fp1->size))	f=f+2;
    		   switch(f)
    		   {
    			   case 0:
    			   {
    				    fp2=(freeptr)malloc(sizeof(struct freearea));
    					fp2->address=jp->address;
    					fp2->size=jp->length;
    					fp2->next=fp;
    					if(fp!=NULL)
    					{
    						fp2->back=fp->back;
    						if(fp->back!=NULL)	fp1->next=fp2;
    						else freep=fp2;
    						fp->back=fp2;
    					}
    					else
    					{
    						fp2->back=fp1;
    						fp1->next=fp2;
    					}
    					break;
    			   }
    				case 1:
    				{
    					fp->size=fp->size+jp->length;
    					fp->address=jp->address;
    					break;
    				}
    				case 2:
    					fp1->size=fp1->size+jp->length; 	break;
    				case 3:
    				{
    					fp1->size=fp1->size+jp->length+fp->size;
    					fp1->next=fp->next;
    					if(fp->next!=NULL)	fp->next->back=fp2;
    					free(fp);
    						break;
    				}
    		   }
    		}
    		if(jp==jobp)    jobp=jp->next;
    		if(jp->next!=NULL)	jp->next->back=jp->back;
    		if(jp->back!=NULL)	jp->back->next=jp->next;
    		free(jp);
    
    	}
    }
    /*********搬家************/
    void banjia()
    {
    freeptr fp,fp1;
    jobptr jp;
    long bottom;
    
    	if(jobnumber>0)
    	{
    		jp=jobp;
    		bottom=TOTAL+SETADDRESS;
    		while(jp!=NULL)
    		{
    			jp->address=bottom-jp->length;
    			bottom=bottom-jp->length;
    			jp=jp->next;
    		}
    		fp=freep;
    		while(fp!=NULL)
    		{
    			fp1=fp;
    			fp=fp->next;
    			free(fp1);
    		}
    		freep=(freeptr)malloc(sizeof(freeptr));
    		freep->size=totalfree;
    		freep->address=SETADDRESS;
    		freep->next=NULL;
    		freep->back=NULL;
    	}
    }
    void mingling()
    {
    	char name,anykey,jobname;
    	int length,select;
    	int address;
    	{
    a1:		//clrscr();  //用 	system("cls"); 替换
    		system("cls");
    		printf("you can select one of the following:\n");
    		printf(" (1)require to be allocate\n");
    		printf(" (2)require to collexte the size\n");
    		printf(" (3)check the memory\n");
    		printf(" (4)quit system\n");
    		printf("you select is:");
    		scanf("%d",&select);
    		switch(select)
    		{ 
    			case 1:
    				if(jobnumber>=MAX) 
    					printf("the job is too many");
    				else
    				{
    					printf("enter you job name\n");
    					scanf("%s",&name);
    					printf("enter your job length\n");
    					scanf("%10d",&length);
    					address=fengpei(length,name);
    					switch(address)
    					{	case 1:		printf("the memory is full");break;
    						case 0:
    						{
    							banjia();
    							fengpei(length,name);
    							xianshi();
    							break;
    						}
    						case 2: xianshi();	break;
    					/*****else  xianshi();*****/
    					}
    
    					break;	
    				}
    			case 2:
    				{
    					printf("enter the name of the job\n");
    					printf("you select is:");
    					jobname=getchar();  //清除之前滞留在缓冲区的回车符“\n”
    					jobname=getchar();
    				//	scanf("%c",&jobname);
    				//	printf("%c",jobname);
    					huishou(jobname);
    					xianshi();
    					break;
    				}
    			case 3:		xianshi();	break;
    			case 4:		goto a2;
    		}
    		printf("\npress enter to return menu\n");
    		anykey=getchar();
    		anykey=getchar();
    		/* scanf("%c",anykey); */
    		goto a1;
    
    	a2:	 printf("you have exit the system!");
    	}
    	   
    }
    int main()
    {
    	init();
    	mingling();
    
    	return 0;
    }
    


    展开全文
  • 通过实验,使学生了解Windows内存结构和虚拟内存的管理,学习如何在应用程序中管理内存。 (1)为应用程序分配内存空间; (2)检测内存的使用情况; (3)显示每个虚拟内存区域的特性; (4)内存区域的保护; 内存...
  • 动态分区存储管理方式下的内存空间的分配与回收。
  • 文章目录实验目的实验内容实验准备相关...通过WNDOWS系统提供的系统调用HeapCreate(), HeapAlloc(), HeapFree()等函数的应用,理解虚拟内存管理技术中的内存分配原理。使用工具软件vmmap查看某个进程的虚拟地址空...

    实验目的

    1. 理解WINDOWS中堆、栈的内存布局
    2. 通过WNDOWS系统提供的系统调用HeapCreate(), HeapAlloc(), HeapFree()等函数的应用,理解虚拟内存管理技术中的内存分配原理。使用工具软件vmmap查看某个进程的虚拟地址空间,并理解虚地址空间中的相关术语。
    3. 通过WINDOWS提供的系统调用GetProcessMemoryInfo()理解操作系统原理书中所讲的相关内容。

    实验内容

    本实验要求用C语言书写一个用到以上系统调用的程序,要求对GetProcessMemoryInfo函数的返回内容理解并解释。

    实验准备

    相关理论知识

    1. 现代操作系统管理内存的基本原理,理解堆、栈等相关的内存术语。
    2. 了解工作集,缺页中断、页面等基本术语。
    3. 了解WINDOWS中管理内存的基本思想。

    相关系统调用的解释

    GetProcessMemoryInfo

    BOOL WINAPI GetProcessMemoryInfo(_In_HANDLE Process,
    _Out_PPROCESS_MEMORY_COUNTERS ppsmemCounters,
    _In_DWORD cb);
    

    该函数取一个进程的句柄为参数,返回该进程的内存使用信息。该函数的调用中,最重要的内容是对数据结构PROCESS_MEMORY_COUNTERS的解释。参见MSDN中,对该调用的解释和例子。

    HeapAlloc

    LPVOID WINAPI HeapAlloc(_In_HANDLE hHeap,_In_DWORD dwFlags,  _In_SIZE_T dwBytes);
    

    该函数取一个堆的句柄为参数,返回在dwBytes参数中设定的参数的内存大小。创建堆或获取堆的方法见MSDN。

    实验过程

    源代码

    #include <stdlib.h>
    #include <Windows.h>
    #include <stdio.h>
    #include <psapi.h>
    void HeapInfo(HANDLE hHeap){
        PROCESS_MEMORY_COUNTERS pmc;
        if ( GetProcessMemoryInfo( hHeap, &pmc, sizeof(pmc)) )
        {
        printf( "\t页表错误数: 0x%08X\n", pmc.PageFaultCount );
        printf( "\t峰值工作集大小: 0x%08X\n",
        pmc.PeakWorkingSetSize );
        printf( "\t工作集大小: 0x%08X\n", pmc.WorkingSetSize );
        printf( "\t配额峰值分页池使用: 0x%08X\n",
        pmc.QuotaPeakPagedPoolUsage );
        printf( "\t配额分页池使用: 0x%08X\n",
        pmc.QuotaPagedPoolUsage );
        printf( "\t配额峰值未分页池使用: 0x%08X\n",
        pmc.QuotaPeakNonPagedPoolUsage );
        printf( "\t配额未分页池使用: 0x%08X\n",
        pmc.QuotaNonPagedPoolUsage );
        printf( "\t页面文件使用: 0x%08X\n", pmc.PagefileUsage );
        printf( "\t峰值页面文件使用: 0x%08X\n",
                    pmc.PeakPagefileUsage );
        }
    }
    int main()
    {
    
        //创建堆
        HANDLE hHeap = HeapCreate(
                            HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,
                            1024 * 1024, 0 );
        printf( "创建堆: %p\n",hHeap );
        CHAR * pszBuf = (CHAR *)HeapAlloc( hHeap,HEAP_ZERO_MEMORY, 100 );
        
        HeapInfo(hHeap);
    
        //内存分配
        printf( "堆分配: %p\n",pszBuf );
    
        strcpy( pszBuf, "hello Heap");
        printf( "%s\n", pszBuf );
    
        //内存释放
        HeapFree( hHeap, 0, pszBuf );
    
        //释放堆
        HeapDestroy( hHeap );
    
        HeapInfo(hHeap);
    
        CloseHandle( hHeap );
        return 0;
    }
    
    展开全文
  • 一.实验目的 1、理解内存页面调度的机理 2、掌握几种理论页面置换算法的实现方法。 二.实验内容及步骤 ……
  • A:(1)对换(2)内存保护(3)地址映射(4)虚拟存储器。分析:对换是提高处理机利用率和系统吞吐量。2、从下列关于非虚拟存储器的论述中,选出一条正确的论述。要求作业在运行前,必须全部装入内存,且在运行过程...

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    1、现代操作系统中,提高内存利用率主要是通过(A)功能实现的。

    A:(1)对换(2)内存保护(3)地址映射(4)虚拟存储器

    分析:

    对换是提高处理机利用率和系统吞吐量。


    2、从下列关于非虚拟存储器的论述中,选出一条正确的论述。

    1. 要求作业在运行前,必须全部装入内存,且在运行过程中也必须一直驻留内存(✔)
    2. 要求作业在运行前,不必全部装入内存,且在运行过程中不必一直驻留内存
    3. 要求作业在运行前,不必全部装入内存,但在运行过程中必须一直驻留内存
    4. 要求作业在运行前,必须全部装入内存,但在运行过程中不必一直驻留内存

    3、虚拟存储器最基本的特征是(A);该特征主要是基于(B);实现虚拟存储器最关键的技术是(C)。

    A:(1)一次性(2)多次性(3)交换性(4)离散性(5)驻留性。

    B:(1)计算机的高速性(2)大容量的内存(3)大容量的硬盘(4)循环性原理(5)局部性原理

    C:(1)内存分配(2)置换算法(3)请求调页(段)(4)对换空间管理。、

    分析:

    虚拟存储器的基本特征是(多次性)和(对换性),因而决定了实现虚拟存储器的关键技术是(请求调页/段)和(页/段置换)。


    4、虚拟存储器管理系统的基础是程序的局部性理论。此理论的基本含义是(A)。局部性有两种表现形式,时间局部性和(B),它们的意义分别是(C)和(D)。根据局部性理论,Denning提出了(E)。

    A,B:(1)代码的顺序执行(2)程序执行时对主存的访问是不均匀的(3)数据的局部性:(4)变量的连续访问(5)指令的局部性(6)空间的局部性。

    C,D:(1)最近被访问的单元,很可能在不久的将来还要被访问(2)最近被访问的单元,很可能它附近的单元也即将被访问(3)结构化程序设计,很少出现转移语句(4)程序中循环语句的执行时间一般很长(5)程序中使用的数据局部于各子程序。

    E:(1)chache结构的思想(2)先进先出(FIFO页面置换算法)(3)工作集理论(4)最近最久未用(LRU页面置换算法)。

    答:

    A:(2)程序执行时对主存的访问是不均匀的

    B:(6)空间的局部性

    C:(1)最近被访问的单元,很可能在不久的将来还要被访问

    D:(2)最近被访问的单元,很可能它附近的单元也即将被访问

    E:(3)工作集理论


    5、实现虚拟存储器的目的是(A);下列方式中,(B)不适用于实现虚拟存储器。

    A:(1)实现内存保护(2)实现程序浮动(3)扩充辅存容量(4)扩充主存容量

    B:(1)可变分区管理(2)页式存储管理(3)段式存储管理(4)段页式存储管理。

    6、从下列关于虚拟存储器的论述中,选出两条正确的论述。

    1. 在请求段页式系统中,以页为单位管理用户的虚空间,以段为单位管理内存空间(×)
    2. 在请求段页式系统中,以段为单位管理用户的虚空间,以页为单位管理内存空间(✔)
    3. 为提高请求分页系统中内存的利用率,允许用户使用不同大小的页面(×,页面大小相同)
    4. 在虚拟存储器中,为了能让更多的作业同时运行,通常只应装入10%~30%的作业后便启动运行
    5. 实现虚拟存储器的最常用的算法,是最佳适应算法OPT(×,OPT是理想的算法,现实并不存在)
    6. 由于有了虚拟存储器,于是允许用户使用比内存更大的地址空间(✔)

    7、一个计算机系统的虚拟存储器的最大容量是由(A)确定的,其实际容量是由(B)确定的。

    A:(1)计算机字长(2)内存容量(3)内存和硬盘容量之和(4)计算机的地址结构

    B:(1)计算机字长(2)内存容量(3)内存和硬盘容量之和(4)计算机的地址结构。

    8、在请求分页系统的页表中增加了若干项,其中状态位供(A)参考;修改位供(B)时参考;访问位供(C)参考;外存始址供(D)参考。

    A:(1)分配页面(2)置换算法(3)程序访问(4)换出页面(5)调入页面。

    B:(1)分配页面(2)置换算法(3)程序访问(4)换出页面(5)调入页面。

    C:(1)分配页面(2)置换算法(3)程序访问(4)换出页面(5)调入页面。

    D:(1)分配页面(2)置换算法(3)程序访问(4)换出页面(5)调入页面

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    9、在请求调页系统中,若逻辑地址中的页号超过页表控制寄存器中的页表长度,则会引起(A);否则,若所需的页不在内存中,则会引起(B);在(B)处理完成后,进程将执行(C)指令。

    A:(1)输入输出中断(2)时钟中断(3)越界中断(4)缺页中断。

    B:(1)输入输出中断(2)时钟中断(3)越界中断(4)缺页中断

    C:(1)被中断指令前的那一条(2)被中断的那一条(3)被中断指令后的那一条(4)启动时的第一条。


    10、在请求调页系统中,内存分配有(A)和(B)两种策略,(A)的缺点是可能导致频繁地出现缺页中断而造成CPU利用率下降。

    A:(1)首次适应(2)最佳适应(3)固定分配(4)可变分配

    B:(1)首次适应(2)最佳适应(3)固定分配(4)可变分配


    11、在请求调页系统中有着多种置换算法:

    1. 选择最先进入内存的页面予以淘汰的算法称为(A)
    2. 选择在以后不再使用的页面予以淘汰的算法称为(B)
    3. 选择自上次访问以来所经历时间最长的页面予以淘汰的算法称为(C)
    4. 选择自某时刻开始以来,访问次数最少的页面予以淘汰的算法称为(D)

    A:(1)FIFO算法(2)OPT算法(3)LRU算法(4)NRU算法(5)LFU算法。

    B:(1)FIFO算法(2)OPT算法(3)LRU算法(4)NRU算法(5)LFU算法。

    C:(1)FIFO算法(2)OPT算法(3)LRU算法(4)NRU算法(5)LFU算法。

    D:(1)FIFO算法(2)OPT算法(3)LRU算法(4)NRU算法(5)LFU算法


    12、在页面置换算法中,存在 Belady现象的算法是(A);其中,Belady现象是指(B)。

    A:(1)OPT(2)FIFO(3)LRU(4)NRU

    B:(1)淘汰页很可能是一个马上要用的页(2)当分配到的内存块数增加时,缺页中断的次数有可能反而增加(3)缺页次数与系统的页面大小正相关(4)引起系统抖动的现象。


    13、在请求调页系统中,凡未装入过内存的页都应从(A)调入;已运行过的页主要是从(B)调入,有时也从(C)调入。

    A:(1)系统区(2)文件区(3)对换区(4)页面缓冲池。

    B:(1)系统区(2)文件区(3)对换区(4)页面缓冲池。

    C:(1)系统区(2)文件区(3)对换区(4)页面缓冲池


    14、某虚拟存储器的用户编程空间共32个页面,每页1KB,主存为16KB。假定某时刻用户页表中已调入主存的页面的虚页号和物理页号对照表如表所示。

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    则与下面十六进制虚地址相对应的物理地址为(如果主存中找不到,即为页失效):

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    虚拟存储器的功能由(C)完成。在虚拟存储器中,采用(D)提高(E)的速度。

    A:(1)页失效(2)1E5C(3)2A5C(4)165C(5)125C

    B:(1)页失效(2)1E5C(3)2A5C(4)165C(5)125C。

    C:(1)硬件(2)软件(3)软硬件结合

    D:(1)高速辅助存储器(2)高速光盘存储器(3)快速通道(4)高速缓冲存储器

    E:(1)连接编辑(2)虚空间分配(3)动态地址翻译(4)动态链接。

    分析:

    本题是一道关于页式存储系统的问题,由于题目已经告诉我们,每个页的大小为1 KB,然而1KB=2^10B,所以页内地址有10位

    把虚地址0A5C(H)化为二进制为1010 0101 1100(B),其中低10位10 0101 1100 (B)为页内地址,余下的高2位10(B)为页号。二进制的10等于十进制的2,查虚页号和物理页号对照表,可知物理页号为4,即二进制的100,所以物理地址为100 10 0101 1100,化为十六进制为125C(H)。

    用同样的方法,我们求得1A5C(H)的页号为6,但此时的虚页号和物理页号对照表中没有虚页号6,所以会产生页失效错误


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    19.、Linux采用(A)存储管理方式。

    A:(1)动态分区(2)纯分页(3)请求分页(4)请求分段。


    20、Linux内核的页面分配程序采用(A)算法进行页框的分配和回收。

    A:(1)首次适应(2)最佳适应(3)伙伴系统(4)循环首次适应。


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  • 一.实验目的 1、 理解内存页面调度的机理 2、 掌握几种理论页面置换算法的实现方法。 3、 比较几种页面置换算法的性能。
  • 操作系统就是一个资源管理器。计算机系统中的CPU,内存空间,文件存储空间以及I/O设备都是操作系统必要去管理的资源。进程管理一个程序什么都不能做除非CPU执行其中的指令。一个执行中的程序称为进程。像编译器这样...

    操作系统就是一个资源管理器。计算机系统中的CPU,内存空间,文件存储空间以及I/O设备都是操作系统必要去管理的资源。

    进程管理

    一个程序什么都不能做除非CPU执行其中的指令。一个执行中的程序称为进程。像编译器这样的程序是一个进程,在个人电脑上有用户运行的文字处理软件是一个进程。同样地,移动设备上的社交应用也是一个进程。进程也可以提供系统调用而让进程创造出子进程并发运行。

    一个进程需要一定的资源 - 包括CPU运行时间,内存,文件和I/O设备去 -- 才能完成任务。这些资源一般在进程运行的时候就分配了。此外,除了各种物理和逻辑在创建进程时获得的各种物理和逻辑的资源,各种初始化数据(输入)也可以被传递。比如说,假设我们运行一个在屏幕上展示网页的浏览器,进程会被给予一个URL作为输入并且执行适当的执行,获取系统调用并且在屏幕上展示想要的信息。当进程结束时,操作系统将回收任何可重复使用的资源。

    这里需要强调的是,程序本身不是一个进程。一个程序是一个被动实体,例如存储在磁盘上的文件的内容,而进程是活动实体。单线程的进程有一个program counter程序计数器来专门指定需要执行的下一条指令。这样一个进程必须是顺序执行的。CPU执行一条接一条的指令,直到进程结束。此外,任何时候,一条指令只能最多代表一个进程。因此虽然在同一个程序中可能会关联两个进程,但他们仍然被认为是两个独立的执行序列。一个多线程的进程有许多程序计数器,每个都指向给定线程的下一条指令。

    一个进程是系统中一个工作单元。一个系统就是进程的集合,其中哦一些是操作系统的进程,剩下的是用户进程。所有这些进程都可以并发的执行-在单核CPU内核上多路复用-或在多核CPU上并发多路复用。

    操作系统负责与进程管理有关的以下行为:

    • 对于用户进程和系统进程的创建和删除
    • 在CPU上调度进程和线程
    • 暂停和恢复进程
    • 提供进程同步机制
    • 提供进程间通讯机制

    内存管理

    主存储器(内存)是一个现代计算机系统的核心。主内存是一个大字节数组,范围规模从数十万到数十亿。每个字节都有自己的地址。主内存负责快速的获取CPU和I/O设备间的共享数据。在指令获取周期中,CPU从主内存中读取指令;在数据获取周期中,CPU从主内存中读取数据或写入数据至主内存中。就像之前文章中提到过的,主内存是CPU能够直接寻址和读取的唯一的大型存储设备。举例来说,如果CPU要处理从磁盘上的数据,那么这些数据必须首先通过CPU生成的I/O调用传输至内存。这样,内存中的CPU指令才能去处理这些数据。

    对于一个要被执行的程序,它必须映射到内存的绝对地址并且装载进内存。随着程序的执行,通过这些绝对地址在内存中读取程序指令和数据。最后,程序结束,原来的内存空间被声明可用,然后下一个程序又可以被加载和运行。

    为了改善CPU的利用率和计算机对用户的回应速度,通用计算机必须在内存中常驻几个程序,这也创造了对内存管理的需要。有许多不同的内存管理方案被使用。这些方案反映了不同的方法,并且其给定算法的有效性取决于实际情况。在对特定系统选择内存管理方案时,我们必须考虑许多因素,尤其是系统的硬件设计。每个算法都有自己的硬件支持条件。

    操作系统负责与内存管理有关的以下行为:

    • 跟踪哪一部分的内存正在被使用且被哪个进程使用
    • 根据需要分配和释放内存空间
    • 决定哪些进程(进程的一部分)和数据移入和移出内存

    文件系统管理

    为了让计算机系统便利于用户,操作系统提供了一种信息存储的统一逻辑视图。操作系统从它的存储设备中抽象出物理属性然后定义为一个逻辑存储单元 - 文件file。操作系统在存储设备把files映射为一个个物理媒介。

    文件管理系统是操作系统最可见的组件之一。计算机可以存取不同种类的物理媒介的信息。二级存储是最常见的,但三级存储也是可能的。每个媒介都有它自己的特性和物理组成。大多数由一个设备控制,比如说一个磁盘驱动器,它有自己独一无二的特性。这些属性包括读取速度,容量,数据传输速度以及读取方法(顺序或随机)。

    一个文件是相关信息的集合,而这些是由它的创建者定义的。一般来说,files代表程序和数据。数据files可以是数字、字母、字母数字或二进制字符。Files也可以是自由格式的(例如,文本文件),也可以是固定格式的(例如,固定字段,例如mp3音乐文件)。显然,FIle的概念是极其通用的。

    操作系统通过管理海量存储介绍及其控制设备来完成对file的抽象。此外,files根据通常组成一个个目录,使得他们更容易使用。最后,当有多个用户读取files时,我们可能需要不同用户的读写权限。

    操作系统负责与文件管理有关的以下行为:

    • 创建和删除文件
    • 创建和删除由文件组成的目录
    • 提供用于处理文件和目录的原子操作
    • 将文件映射到大容量存储中
    • 在稳定(非易失性)存储介质上备份文件

    大容量存储管理

    正如我们已经看到的,计算机系统必须提供二级存储来备份主内存。大多数现代计算机系统都使用HDD和NVM设备作为程序和数据的主要在线存储介质。大多数程序-包括编译器,Web浏览器,文字处理器和游戏-都存储在这些设备上,直到加载到内存中。程序将设备用作其处理的源和目的地。因此,对二级存储的适当管理对一个计算机系统是十分重要的。

    操作系统负责与二级存储管理有关的以下行为:

    • 装载和卸载
    • 空闲空间的管理
    • 存储分配
    • 磁盘调度
    • 分区保护

    由于二级存储经常被广泛使用,因此必须高效率的使用它。计算机的整体运行速度可能取决于二级存储子系统的速度及该子系统中的操作算法。

    同时,有许多比二级存储速度慢成本低的存储器被使用到,通常有更大吃的存储容量。对于磁盘数据的备份,很少使用的数据存储和长期存档的数据都是其中的一些使用案例。磁带机及其磁带以及CD DVD和Blu-ray驱动器和磁盘是典型的第三级存储设备。

    三级存储虽然对系统性能不关键,但也是必须被管理的。一些操作系统有专门的任务来管理,而一些操作系统把对三级存储的管理留给应用程序负责。操作系统的一些功能能够提供对设备媒介的装载和卸载,分配和释放以供进程专用并且把数据从二级存储中迁移到三级存储。

    高速缓存cache管理

    缓存是计算机系统的重要原理。运作方式如下:

    • 信息通常保存在某些存储系统(例如主存储器)中。
    • 使用后,它会被复制到一个更快的存储系统(即缓存)中,临时的。
    • 当我们需要特定信息时,我们首先检查是否在缓存中。如果是这样,我们将直接从缓存中使用信息。
    • 如果不是,我们将使用使用源头的信息,将副本放入缓存中并假设我们很快会再次需要它。

    此外,内部可编程寄存器提供为主存储器了高速缓存。程序员(或编译器)在里面实现寄存器分配和寄存器替换算法,以确定要处理的信息哪些保留在寄存器中,哪些保留在主存储器中。

    其他高速缓存则完全在硬件中实现。例如,大多数系统具有高速指令缓存以保存预期接下来会执行的指令。如果没有这个缓存,CPU将不得不等待几个周期从主存储器中提取指令。由于类似的原因,大多数系统在内存层次结构中具有一个或多个高速数据缓存。它们不受操作系统控制。

    因为高速缓存大小的限制,所以高速缓存管理是一个重要的设计问题。精心挑选高速缓存的大小和替换策略算法可以提升性能。如下图:

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    不同存储层级间的信息移动,要么是显性的,要么是隐形的,这取决于硬件设计和操作系统的软件控制。举例来说,从cache到CPU和寄存器的数据传输通常是硬件功能呢个,不需要操作系统的介入。相反,从磁盘到内存的数据传输通常由操作系统控制。

    在一个层级存储结构中,相同的数据会在不同层级的存储器中出现。举例来说,假定一个整数A,它位于文件B中, 需要加1,文件B位于磁盘上。加法操作首先会执行一次I/O操作把A从磁盘上复制到内存中,然后A会被复制到高速缓存中,再然后被复制到一个整数寄存器。因此这个A的备份同时出现在好几个地方:磁盘,内存,缓存以及寄存器,如下图:

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    一旦加法操作在内部寄存器中完成后,A的值在不同的存储器中值此时是各不一样的。直到A的值被重新写入磁盘后,此时的值才是唯一的。

    在一个一次只有一个进程执行的计算环境中,这样的行为是没有问题的,因为对于整数A的读取的总是存储层次结构中最高级别的副本。然而在多任务环境中,CPU在不同的进程间不停的切换,必须格外小心以确保在有好几个进程想要读取A的情况下,每个进程A都将获取到最新更新的A的值。

    在多处理器的环境下这种情况会变得更复杂。处理要维护内部寄存器,每个CPU还包含了一个本地的高速缓存。在这样的环境中,对A的拷贝必须同时留存于上述的这几个缓存中。由于CPU能并发的执行,我们必须确保对一旦A的在一个缓存中发生了更新,其他几个缓存也要立刻发生相应的变化。这种情况叫做缓存一致性cache coherency,这通常是一个硬件问题也就是说是在低于操作系统级别下处理解决。

    在分布式环境中,情况变得更加复杂。在这种环境中,同一文件的多个副本(或副本)可以保留在不同的计算机。由于可以同时访问和更新各种副本,某些分布式系统可确保在一个地方更新副本时,所有其他副本都将尽快更新。

    I/O系统管理

    操作系统的目的之一是隐藏用户提供的特定硬件设备的特性。例如,在UNIX中,I / O设备的特性被操作系统隐藏在了I / O子系统。I/O子系统主要包含下面几个组件:

    • 内存管理组件,包括缓冲,缓存和spooling(Simultaneous Peripheral Operations On Line,直译意思是“联机情况下同时进行的外围设备操作”)
    • 通用的设备驱动程序接口
    • 特定硬件设备的驱动程序

    只有设备驱动知道分派给的特定设备的特性。

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存储器管理实验