Linux内存管理实验

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《unix 操作系统教程》课程实验报告

实验名称 Linux 内存管理实验

实验序号 5 姓 名

系院专业

班 级

学 号 实验日期 2012.11.28 指导教师

成 绩

一、实验目的

1. 通过在Linux 环境下对内存管理的基本操作，感性认识Linux 如何对内存进行管理。

2. 利用readelf 和objdump 观测 linux 下的内存地址映射过程以及进程的虚拟地址空间。

二、实验内容与要求

(1)按照实验内容完成实验操作步骤，学习内存管理中的一些常用命令 (2)理解linux 中逻辑地址、线性地址的概念。 (3)提交实验报告。

三、实验设备

地点： 实验实训中心A4-2 设备：计算机一台 linux 操作系统

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四、实验步骤与测试

实验一

free 命令显示显示内存的使用情况(使用的和空闲的)，包括物理内存、交换区内存、内核缓冲区内存。不包括共享内存。free 命令默认选项为-k 语法:

free [-bkmotV] [-s <间隔秒数>]选项介绍: -b: 以Byte 为单位显示内存使用情况; -k: 以KB 为单位显示内存使用情况; -m: 以MB 为单位显示内存使用情况; -o: 不显示缓冲区调节列;

-s<间隔秒数>: 每间隔指定时间执行一次free 命令; -t: 显示内存总和列;

-V: 显示版本信息;

（1）free -k: 以KB 为单位显示内存使用情况;

解释：total: 内存总量: 3355508(k) used: 已经使用的内存量: 490664(k) free: 空闲的内存量: 2864844(k)

shared: 当前已经废弃不用，总量是0(k) buffers: 25164（k)

Buffer Cache 内存量: 263480(k)

cached: Page Cache 内存量: 21436(k)

（2）free –m -s 5:以M 为单位，5秒显示以下内存信息

解释：以上为每隔5秒显示内存信息，由以上图可知：两次内存使用情况没有变化。 （3）free -o: 不显示缓冲区调节列;

解释：由以上可知Buffer Cache 这一列没有显示出来。 （4）free -t: 显示内存总和列;

解释：如上所示，内存总和是3355508(k)，内存已使用为491408(k)，内存空闲为2864100(k)。

（5）free -V: 显示版本信息

解释：版本号为3.2.7

2．swapon –s：显示交换区的使用状况

解释：交换区名为：/dev/sda3,类型为partition,大小为425712，已使用为0，优先级为-1。

3. vmstat是Virtual Meomory Statistics（虚拟内存统计）的缩写，可对操作系统的虚拟内存、进程、CPU活动进行监视。它是对系统的整体情况进行统计，不足之处是无法对某个进程进行深入分析。

解释：vmstat [-V] [-n] [delay [count]]

其中，－V表示打印出版本信息；－n表示在周期性循环输出时，输出的头部信息仅显示一次；delay是两次输出之间的延迟时间；count是指按照这个时间间隔统计的次数。对于vmstat输出各字段的含义，可运行man vmstat查看。

下面给出了各个参数的不同含义：

procs:

r-->在运行队列中等待的进程数

b-->在等待io的进程数

w-->可以进入运行队列但被替换的进程

memoy

swap-->现时可用的交换内存（k表示）

free-->空闲的内存（k表示）

buff-->被用来做为缓存的内存数，单位：KB

cache-->被用来做为文件读写缓存的内存数，单位：KB

swap

si-->从磁盘交换到内存的交换页数量，单位：KB/秒

so-->从内存交换到磁盘的交换页数量，单位：KB/秒

IO

bi-->磁盘块入

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bo-->磁盘块出 System

in-->每秒的中断数，包括时钟中断 cs-->每秒的环境（上下文）切换次数 CPU

按 CPU 的总使用百分比来显示 us-->用户进程使用的时间 sy-->系统进程使用的时间 id-->cpu 空闲的时间 pages

re-->回收的页面

mf-->非严重错误的页面 pi-->进入页面数（k 表示） po-->出页面数（k 表示） fr-->空余的页面数（k 表示）

de-->提前读入的页面中的未命中数 sr-->通过时钟算法扫描的页面 disk 显示每秒的磁盘操作。 s 表示scsi 盘，0表示盘号 fault 显示每秒的中断数 in-->设备中断 sy-->系统中断 cy-->cpu 交换

实验二

1.搭建linux 实验平台，并在搭建好的平台中用vi 编辑器编写一个简单C 程序：

1. /*test.c */

2.

3. #include

4.

5. int global_data = 4;

6.

7. int global_data_2; 8.

9. int main(int argc, char **argv) 10. 11. { 12.

13. int local_data = 3; 14.

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15. printf("HelloWorldn"); 16.

17. printf("global_data= %dn", global_data); 18.

19. printf("global_data_2= %dn", global_data_2); 20.

21. printf("local_data= %dn", local_data); 22.

23. return (0); 24. 25. }

2. 编译： $gcc -o test test.c

A.查看ELF 的头。

刚生成的二进制就是我们要查看的目标。从ELF 的头开始吧： $readelf -h test 实验结果：

可执行文件是可以在Intel x86 32 bit 的体系的机器上运行的（从“machine”和“class”字段）。 当执行时，程序将从虚地址0x080482c0(看“Entry point address”)开始运行。这个地址不是指向我们常见的main()函数地址的，但是它指向是一个名为__start 的函数。__start 函数是被linker 创建的，它的目标是初始你的程序。

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这个程序还有28个节区(section)和7个段(segment)

什么是节区(section)？ Section 是在目标文件中的一个区，它包括一些信息(这些信息对连接过程有用)：程序的代码、程序的数据（变量、数组、字符串），可重定向的信息和其它。所以，在每一个区，几种信息组合在一起，这里有一个明显地含义：代码区只有代码，数据区只是初始化的或是没有初始化的数据，等等。节区头部分列表（Section Header Table,SHT ）精确地告诉我们：ELF 目标文件中有什么section 。至少从“Number of section headers”字段中知道“test”目标文件有28个section.

如果section 是一个二进制表示的，linux 内核不能用一种方式读懂它，linux 内核准备几个VMA （Virtual Memory Area ），它们包括虚拟地址连续的页面帧。在VMA 的内部，一个或多个section 被映射其中。在这个例子中每一个VMA 都代表一个ELF 的段(segment)。那内核是如何知道哪个section 去往哪个segment 呢？这是Program Header Table(PHT)的工作。

B.查看Section Header Table(SHT)

让我们看一个Section 在程序中的存在形式： $ readelf -S test 实验结果：

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编译器把可执行代码保存到.text 节区中。那.text 节区被标记为可执行('X'在flag 字段）。在这个节区，你可以看到我们main()函数的机器代码。 $ objdump -d -j.text test 实验结果：

-d 选项告诉objdump 分解机器代码。-j 告诉objdump 只关心那个特定的节区（在本例中，是.text ）。以下是执行命令后的部分内容。

.data 节区保存所有的初始化的变量，这些变量不在栈中。“Initialized”是指这些变量被赋于初始值，如”global_data”。那”local_data”呢？“local_data”的值不在此节区中，它们生活在进程的栈里。 以下是用objdump 查看.data 节区：

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$ objdump -d -j.data test 实验结果：

C.查看 program Header Table(PHT)

段(segment)是一个OS“看懂”我们程序的方法。让我们看看我们程序是如何变成段的吧： $readelf -l test 实验结果：

实验结果解释:

映射很直观。例如段号2，这里有15个节区被映射到其中。.text 节区就映射到此段。它的标志是R,E 其含义分别是可读，可执行。W 就是可读的含义。

可以使用/proc//maps 文件也可以得看到它。是一个我们想要查看的进程的ID 。， test 进程运行的太快了，在进入/proc 这前，它就结束了。可以使用gdb 来解决此问题。

也可以在return 之前调用 sleep()来搞定这个问题。

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在另一个控制台中： $ gdb test (gdb) b main

Breakpoint 1 at 0x8048376 (gdb) r

Breakpoint 1, 0x08048376 in main ()

在此保持(hold)住，打开另一个控制台，找到test 的PID 。如果你想图省事的话，就这样： $ cat /proc/`pgrep test`/maps 实验结果：

回到gdb ，输入： (gdb) q

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于是，最后，我们看到了12个段（实际上是VMA ）。重点关注第一个字段和最后一字段。第一字段显示了VMA 的地址范围，最后一个字段显示了背后的文件。你在看到VMA 的第8行与之前PHT 的第2行的类似点了吗？不同之处是SHT 说它自己于0x080484fc 结束，但在8号段中我们看到它的结束地址是0x08049000。在VMA9号与段3号之间也有同样的现象。SHT 显示3号段开始于0x080494fc 。而VMA 则显示开始于0x08049000。 有这么几个因素我们必须了解：

1.尽管VMA 开始于不同的地址，与之关联的节区仍然被映射到精确的虚拟地址上了。

2.内核分配内存是以4KB 的页为基本单位的，所以每一页的地址都是4KB 的整数倍。如0x1000,0x2000等。对于VMA 的9号，这个页的地址是0x08049000。或从技术角度讲，这个段的地址必须与页面的大小对齐。

最后，哪一个VMA 是栈呢？VMA11就是。一般地，内核动态地分配几个页面，并映射到用户空间可能的最高的虚拟地址，这就是栈的区域了。简单地讲，每一个进程的地址空间被分成两部分（前提是32位的CPU ）：用户空间和内核空间。用户空间在0x00000000-0xc0000000 ，所以内核空间只能在0xc0000000以上了。

于是，分配给栈的地址是在0xc0000000边界附近的。结束地址是固定的，开始地址可以根据保存内容的多少而变化。