操作系统 实验二 windows内存管理实验

实验二windows内存管理实验

一．问题描述

内存管理是操作系统的主要任务之一，地址转换是其中的重要内容，本实验主要研究windows的地址转译过程。

通过这次实验了解windows内存管理策略及基本的数据结构，理解windows的地址过程。通过任意给出一个虚拟地址，可以从windbg 观察相关数据并找到其物理地址。

二．Windows地址转译过程原理

1.Windows内存管理器：

Windows的内存管理器主要由Windows执行体中的虚存管理程序负责，并由环境子系统负责与具体API相关的一些用户态特征的实现。

有两个任务：地主转换；变换。

2.Windows内存管理策略：

Windows采用页式虚拟存储管理技术管理内存，页面是硬件级别上的最小保护单位。

根据硬件体系结构的不同，页面尺寸被分为两种

大页面：4KB

小页面：4MB

通常的PC机，一般都为小页面。

3、Windows虚拟地址空间布局

Windows系统的虚拟地址空间布局，默认情况下，32位的windows 系统中每个用户进程可以占有2GB的私有地址空间，操作系统占有

另外的2GB。如下：

4、X86虚拟地址转译

X86虚拟地址转译是指进程的虚拟地址空间映射到实际物理页面的过程，Windows系统中地址转译过程如下：

关键的数据结构如下：

页目录：每个进程都有一个页目录，进程页目录的地址被保存在内核地址块（KPROCESS）中。在windows中，它被映射到虚拟地址0xC0300000。由cr3可以知道该进程页目录的位置。

页目录由页表项构成。

页表:进程的页目录指向页表。每个页表只占一个页面，含有1024个PTE，一个PTE为4字节，包含两个主域：PFN，即为数据所在的物理页面的页面帧编号。

虚拟地址结构：x86系统上，一个32位虚拟地址结构被解释

成三个独立的部分：页目录索引，页表索引和字节索引，如下：

由于页目录项有1024个，因此页目录索引为10位，一个页表中含有1024个PTE，因此页表索引也为10位；字节索引为12位，正好表示一页内容。

三、地址转译过程观测及分析

1、查找页目录首地址

启动WinDbg到内核调试模式，以try.exe作为对象运行，中断目标机运行，输入命令：！process

输入命令：dt_kprocess 813a9d88

可以看到KPROCESS其中有一个域DirectoryTableBase，对应值为0x9e1f000，这就是try.exe进程页目录的基址（物理地址）。

查看cr3寄存器的内容，输入命令：r cr3

得到的值和上述相同，这是因为CPU切换执行任务时，其内容要更新为当前进程的页目录基址。

2、地址转译过程

下面实验的是虚拟地址到物理地址的转译过程。

假设给定的虚拟地址为0x101401。

首先将其变换为32位的地址结构，如下：

输入命令：kd> !pte 0x101401

可以查看给定的虚拟地址的PTE信息：

可以看到：

●PDE的虚拟地址为C0300000。这是因为每个进程页目录的基址（虚

拟地址）均为C300000，而每个进程页目录项长度为4字节，给定虚址的页目录索引为0x0，故其对应的PTE为C0300000。

●PTE为C0000404。因为进程的页表虚拟地址从C0000000开始。页

面大小为4096（0x1000）字节，每个PTE长度为4字节，由页目录索引值（0x0）可知虚址处于第1个页表上，页表索引为0x101，故对应的PTE为（C0000000+4*0x101= C0000404）

最后一行信息“pfn b9ef ---DA--UWEV”表示PDE的具体内容，b9ef 是给定虚址所在页表在内存中对应的物理页号；“---DA--UWEV”

是标志信息。不知道为什么自己的电脑上无法出现数据页装入内存的物理页号，如pfn XXXX ---A---XXXX，因此无法得到虚址的物理

地址。因此，0x101401的物理地址应该为物理页号XXXX加上页内索引（0x401），具体数值由于电脑问题没有办法确切得到。3、观察系统页表

验证不同的进程目录页会指向相同的系统页表。

观察虚址0x80001001，转换为32位地址结构，如下：

输入命令：kd> !process

当前正在执行：try.exe。

输入命令：kd> !pte 0x80001001

得到PDE为C0300800，其对应的物理页号为3b。

继续让目标机运行，启动另一个的程序dog.exe，然后中断目标机运行。

输入命令：kd> !process

当前执行的进程为svchost.exe。

输入命令：kd> !pte 0x80001001

发现PDE信息和对应的物理页号与前面观测的相同，证明不同的进程页目录的确指向了相同的系统页表。实验顺利完成