虚拟内存管理——操作系统课程大作业虚拟内存管理报告.pdf

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1、20112011 年操作系统大作业年操作系统大作业1.虚拟内存管理实验。在 Linux 环境下编写一个内核模块，分别实现如下几个函数：static void mtest_dump_vma_list(void)：依次列出当前进程所占用的虚拟内存空间各段的读、写或执行权限。static void mtest_find_vma(unsigned long addr)：查找出虚拟地址 addr 所在的 vma，并通过 printk 打印该段的起始地址、终止地址和段标志等信息。static void mtest_find_page(unsigned long addr)：找到虚拟地址 addr 对应的物

2、理地址并打印。为了测试和使用以上函数， 需要在内核模块的初始化函数中创建一个名为mtest 的/proc文件。mtest 文件绑定的写函数 mtest_write 允许用户程序写入一串字符串：如果写入的字符串是 listvma 则调用函数 mtest_dump_vma_list(void)；如果写入的字符串是 findvma0 xffffffff则调用函数 mtest_find_vma(0 xffffffff) ，字符串的后几个字符是传递给函数的参数；如果写入的字符串是 findpage0 xffffffff则调用函数 mtest_find_page(0 xffffffff)，同样字符串的后几

3、个字符是参数。实验要求：为了测试以上模块的正确性，需要编写一个小型的test 应用程序，它打开/proc/mtest 文件，并向其中写入字符串调用模块中的相关函数并给出相应的反馈信息。知识储备：虚拟存储空间管理的相关数据结构vm_area_struct和 mm_struct/proc 文件系统的相关知识内核模块的相关知识实验思路及过程：实验思路及过程：相关知识储备：1.可以使用/proc 文件系统和 pmap 工具查看给定进程的内存空间和其中所包含的内存区域mmap 描述的该地址空间中的全部内存区域。内核使用内存描述符结构表示进程的地址空间，由结构体 mm_struct 结构体表示，定义在li

4、nux/sched.h 中，同时linux 操作系统采用虚拟内存技术，所有进程之间以虚拟方式共享内存。 进程地址空间由每个进程中的线性地址区组成， 而且更为重要的特点是内核允许进程使用该空间中的地址。通常情况况下，每个进程都有唯一的地址空间， 而且进程地址空间之间彼此互不相干。但是进程之间也可以选择共享地址空间，这样的进程就叫做线程。Linux 提供了内存映射函数 mmap, 它把文件内容映射到一段内存上(准确说是虚拟内存上),通过对这段内存的读取和修改, 实现对文件的读取和修改,2.unlikely()的作用就是告诉编译器，ab) 和 if(ab)在功能上等价， 同样 if(unlikely

5、(ab) 和 if(amm 赋给 mm. 然后申明一个 vm_area_struct变量 vma，遍历链表，依次对每一段内存进行读、写或执行的权限的判断即可。同时，信号量的操作要合理控制。具体代码：static void mtest_dump_vma_list(void) struct task_struct *pi=current;/建立 task_struct 型的指针 pi，并赋初值为当前进程 struct mm_struct *mm=pi-mm;/将当前进程的虚拟地址空间赋值给mm struct vm_area_struct *vma; printk(The current proce

6、ss name is :%sn,pi-comm); printk(mtest_dump_vma_listn); down_read(&mm-mmap_sem);/对信号量进行 P 操作 for(vma=mm-mmap;vma;vma=vma-vm_next)/给 vma 赋初值为指向线性区对象的链表头，并对 VMA 链表进行遍历 printk(VMA from %p to %p :,vma-vm_start,vma-vm_end);/ 输出每段的开始与结束地址用于表示每段if(vma-vm_flags&VM_WRITE)printk(WRITE);if(vma-vm_flags&VM_READ

7、)/将每段的权限 flags 与写 、 读 、 执行进行 and 操作，当其满足条件时，输出相应的单词printk(READ);if(vma-vm_flags&VM_EXEC)printk(EXEC);if(vma-vm_flags&VM_GROWSDOWN)printk(n 该段 GROWSDOWN！n);printk(n); up_read(&mm-mmap_sem);/对信号量进行 V 操作第二个函数：static void mtest_find_vma(unsigned long addr)Linux 内核虚拟空间既有分段机制也有分页机制，分段可以根据可读，可写，可执行等权限区分。段与

8、段之间并不一定连续， 因此寻找一个虚拟地址的段可能会寻空， 否则该地址一定介于这个段的起始地址和结束地址之间。 因而在实现此函数的功能时要做相关判断。 本函数的关键是 vma=find_vma(mm,addr);函数，它可以在 mm 中找到，第一个尾地址大于 addr 的段。找到后再将其与该段的起始地址相比较，如果大于起始地址即可确定addr 的确落在该段内。具体代码：static void mtest_find_vma(unsigned long addr)struct task_struct *pi;/建立 task_struct 型的指针 pi，并赋初值为当前进程pi=find_task

9、_by_pid(1);struct mm_struct *mm=pi-mm;/将当前进程的虚拟地址空间赋值给mmstruct vm_area_struct *vma;printk(mtest_find_vman);down_read(&mm-mmap_sem);/对信号量进行 P 操作vma=find_vma(mm,addr);/通过 find_vma 函数在 mm 中找到，第一个尾地址大于addr的段if(vma&addr=vma-vm_start)/若该段的首地址小于 addr，这该段为所找的段printk(vma has been found!n);printk(the vma is:%

10、pn,vma-vm_flags);printk(Start address of vma:%pn,vma-vm_start);printk(Final address of vma:%pn,vma-vm_end);else/若不是，不存在符合条件的段printk(there is no VMA found for %pn, addr);up_read(&mm-mmap_sem);/对信号量进行 V 操作第三个函数：static void mtest_find_page(unsigned long addr)这个函数意在寻找该虚拟地址对应的物理地址，linux 采用四级页表：页全局目录、页上级目

11、录、页中间目录、页表目录。图示如下：所以在函数实现时要根据所给的虚拟地址一级一级的寻找， 知道找到最后一级页表。 同时要注意每找一级目录都要判断该目录是否已经映射，否则该虚拟地址所指向的物理地址不存在。找到页表之后， 还要判断其是否已映射到内存，否则也不满足条件。之后就可以在页表目录中找到页表项对应的物理叶框号，再加上地址偏移量。即找到满足要求的物理地址。具体代码：static void mtest_find_page(unsigned long addr)struct task_struct *pi;/建立 task_struct 型的指针 pi，pi=find_task_by_pid(1)

12、;/将进程号为 1 的进程结构赋值给 pistruct mm_struct *mm=pi-mm;/将当前进程的虚拟地址空间赋值给mmunsigned long physical_address;/用physical_address表示所找的物理地址physical addressstruct page *page=NULL;/给页框赋初值 NULLpgd_t *pgd;/页全局目录项pud_t *pud;/页上级目录项pmd_t *pmd;/页中间目录项pte_t *pte;/页表项printk(mtest_find_pagen);down_read(&mm-mmap_sem);/对信号量进行

13、 P 操作pgd=pgd_offset(mm,addr);/offset函数找到 pgd 即页全局目录if(pgd_none(*pgd)|unlikely(pgd_bad(*pgd)/若不存在 pgd，则跳到 exit 处goto exit;pud=pud_offset(pgd,addr);/通过 offset 函数找到页的上级目录项if(pud_none(*pud)|unlikely(pud_bad(*pud)/若不存在满足条件的 pgd，则跳到exit 处继续执行goto exit;pmd=pmd_offset(pud,addr);/通过 offset 函数找到页的中间目录项if(pmd_

14、none(*pmd)|unlikely(pmd_bad(*pmd)/若不存在满足条件的 pmd，则跳到 exit处继续执行/unlikey 表示基本不可能发生，likely 表示很可能发生，用于优化代码，针对某些很少发生的情况使用/_none()表示不存在,还未映射，_bad()表示不在内存中goto exit;pte=pte_offset_map(pmd,addr);/通过 offset_map找到页表项if(!pte)/若不存在满足条件的 pte，则跳到 exitgoto exit;if(!pte_present(*pte)/若不存在满足条件的 pte，即该页表不在内存中，跳到exitgo

15、to exit;page=pfn_to_page(pte_pfn(*pte);/找到相应的页框，并找到页框对应的描述符if(!page)/page 返回为空，则跳到 exit 处goto exit;get_page(page);/为 page 赋值exit:if(!page)/没有符合的页框，输出不存在，并跳到final 处退出printk(can not found page for %pn,addr);goto final;physical_address=(unsigned long)page_address(page);/把页框基量（即页框号）复制给physical_addressph

16、ysical_address+=(addr&PAGE_MASK);/在 physical_address 上再加上offset=(addr&PAGE_MASK(页大小)则为所求的物理地址printk(The physical address for %p is %p n,addr,physical_address);final:up_read(&mm-mmap_sem);/对信号量进行 V 操作最后为了方便的访问这 3 个函数，使用 proc 文件系统进行访问.mtest 文件绑定的写函数 mtest_write 允许用户程序写入一串字符串：如果写入的字符串是 listvma 则调用函数 mt

17、est_dump_vma_list(void)；如果写入的字符串是 findvma0 xffffffff则调用函数 mtest_find_vma(0 xffffffff) ，字符串的后几个字符是传递给函数的参数；如果写入的字符串是 findpage0 xffffffff则调用函数 mtest_find_page(0 xffffffff)，同样字符串的后几个字符是参数。具体代码：/*用 proc 文件系统实现对这 3 个函数的访问*/static char *proc_buf;/新建一个 proc 内核文件,staticstructproc_dir_entry*mtest_proc_entry;

18、/ 建 立proc_dir_entry型 的mtest_proc_entrystatic ssize_t mtest_write(struct file *file,const char _user * user_buffer,size_tcount,loff_t * data)/ 对 mtest 进行写入操作所使用的函数unsigned long addr;/addr 为实现 mtest_find_vma()或 mtest_find_page()的参数if(countMAX_length)/如果字符串数目大于容量则返回return -EINVAL;/EINVAL：无效的参数if(copy_f

19、rom_user(proc_buf,user_buffer,count)/函数 copy_from_user()完成用户空间到内核空间的复制，如果失败则返回return -EINVAL;if(memcmp(proc_buf,listvma,7)=0)/memcmp将 proc_buf的前7个字节取出，如果是 listvma，则调用 mtest_dump_vma_list()mtest_dump_vma_list();elseif(memcmp(proc_buf,findvma,7)=0)/如果 buf 为 7 个字母，并且为findvma，则调用 mtest_find_vma()，且参数从 7

20、 位后开始if(sscanf(proc_buf+7,%lx,&addr)=1) /接着继续取下面的字符，即addrmtest_find_vma(addr);else if(memcmp(proc_buf,findpage,8)=0)/同上， 如果前 8 个字母为 findpage，则调用 mtest_find_page()if(sscanf(proc_buf+8,%lx,&addr)=1)/取 addr 参数mtest_find_page(addr);return count;这个是 mtest 写函数初始化函数：static int init_mtest_write(void)printk(

21、begin init mtest_write!n);int ret=0;proc_buf = (char *)vmalloc(MAX_length);/为 proc_buf 数组分配最大的空间if (!proc_buf) ret = -ENOMEM;/如果分配失败就返回无效参数else /否则分配成功memset(proc_buf, 0, MAX_length);/将缓冲区清零mtest_proc_entry=create_proc_entry(mtest,0777,NULL);/以 0777 权限创建mtest 并获取 pro_dir_entryif(mtest_proc_entry=NUL

22、L)/如果没有创建成功就返回无效参数，同时将proc_buf 数组释放printk(Proc entry creating errorn);ret=-ENOMEM;vfree(proc_buf);return -1;elseprintk(Proc entry creating successn);mtest_proc_entry-write_proc=mtest_write;/将文件的写函数加载mtest_proc_entry-owner = THIS_MODULE;return 0;最后，为了测试以上模块的正确性，需要编写一个小型的test 应用程序，它打开/proc/mtest 文件，并向

23、其中写入字符串调用模块中的相关函数并给出相应的反馈信息。Test代码如下：/test 程序#includeint main()int i=1;printf(now begin the test!please input your 3 order!n);char string100;while(i=3)/三次执行三个命令printf(please input your %d order!n,i);scanf(%s,&string);/读入字符串if(string0=0)return 0;FILE *fp;fp=fopen(/proc/mtest,w);/打开 proc 文件fprintf(fp,

24、 %s, string); /将用户输入的指令读入 /proc/mtestfclose(fp);i+;printf(the test has ended!n);附带说明：本程序还有 makefile 文件用以实现对模块的加载。同时本程序的第一个函数赋予的是当前进程。而第二个和第三个函数是将进程号为1 的进程赋给了 pi,进而就进程 1的中的一个虚拟地址来实现函数的具体功能（通过 cat/proc/1/maps 命令查看进程 1 的虚拟地址列表）测试结果：输入命令：input your order : listvmainput your order : findvma0X089b2010input your order : findpage0X089b2010输出结果：截图