一、实验目的

独立设计并实现一个内存监视器，以加深对内存管理的理解。

二、实验内容

在Windows系统下设计实现一个内存监视器，使用该内存监视器：

  1. 能够实时显示当前系统中内存的使用情况，包括系统地址空间的布局，物理内存的使用情况；
  2. 能够实时显示某个进程的虚拟地址空间布局和工作集信息等。

三、程序设计与实现

1. 实验环境

操作系统：Windows10

开发环境：Visual Studio 2022

2.设计思路

① 获取系统信息

    • SYSTEM_INFO
typedef struct _SYSTEM_INFO {
 union {
 DWORD dwOemId;
 struct {
 WORD wProcessorArchitecture;
 WORD wReserved;
 } DUMMYSTRUCTNAME;
 } DUMMYUNIONNAME;
 DWORD dwPageSize;
 LPVOID lpMinimumApplicationAddress;
 LPVOID lpMaximumApplicationAddress;
 DWORD_PTR dwActiveProcessorMask;
 DWORD dwNumberOfProcessors;
 DWORD dwProcessorType;
 DWORD dwAllocationGranularity;
 WORD wProcessorLevel;
 WORD wProcessorRevision;
} SYSTEM_INFO, *LPSYSTEM_INFO;
 
• GetNativeSystemInfo
void GetNativeSystemInfo(
 LPSYSTEM_INFO lpSystemInfo
);

    其中，LPSYSTEM_INFO是指向SYSTEM_INFO的指针。

    • 信息输出
    DWORD mem_size = (DWORD*)si.lpMaximumApplicationAddress - (DWORD*)si.lpMinimumApplicationAddress;
 printDword(L"处理器个数", si.dwNumberOfProcessors);
 printStrFormatByte(L"物理页大小", si.dwPageSize);
 printAddress(L"进程最小寻址空间：0x", si.lpMinimumApplicationAddress);
 printAddress(L"进程最大寻址地址: 0x", si.lpMaximumApplicationAddress);
 printStrFormatByte(L"进程可用空间大小：", mem_size);




    内存资源监控阈值 内存监视器_内存资源监控阈值


    ② 获取物理内存信息

    主要使用到的数据结构和函数有MEMORYSTATUSEX与GlobalMemoryStatusEx

    及PERFORMANCE_INFORMATION与GetPerformanceInfo。
• MEMORYSTATUSEX
typedef struct _MEMORYSTATUSEX {
 DWORD dwLength;
 DWORD dwMemoryLoad;
 DWORDLONG ullTotalPhys;
 DWORDLONG ullAvailPhys;
 DWORDLONG ullTotalPageFile;
 DWORDLONG ullAvailPageFile;
 DWORDLONG ullTotalVirtual;
 DWORDLONG ullAvailVirtual;
 DWORDLONG ullAvailExtendedVirtual;
} MEMORYSTATUSEX, *LPMEMORYSTATUSEX;
在使用该数据结构之前，dwLength必须进行指定为 sizeof(MEMORYSTATUSEX)。
 
• GlobalMemoryStatusEx
BOOL GlobalMemoryStatusEx(
 LPMEMORYSTATUSEX lpBuffer
);
其中，lpBuffer是指向MEMORYSTAUSEX的指针，用于保存信息。
 
• PERFORMANCE_INFORMATION
typedef struct _PERFORMANCE_INFORMATION {
 DWORD cb;
 SIZE_T CommitTotal;
 SIZE_T CommitLimit;
 SIZE_T CommitPeak;
 SIZE_T PhysicalTotal;
 SIZE_T PhysicalAvailable;
 SIZE_T SystemCache;
 SIZE_T KernelTotal;
 SIZE_T KernelPaged;
 SIZE_T KernelNonpaged;
 SIZE_T PageSize;
 DWORD HandleCount;
 DWORD ProcessCount;
 DWORD ThreadCount;
} PERFORMANCE_INFORMATION, *PPERFORMANCE_INFORMATION, PERFORMACE_INFORMATION, *PPERFORMACE_INFORMATION;
 
• GetPerformanceInfo
BOOL GetPerformanceInfo(
 PPERFORMANCE_INFORMATION pPerformanceInformation,
 DWORD cb
);

    其中，pPerformanceInformation是指向用于保存返回信息的指针，cb需要指明PERFORMANCE_INFORMATION结构体的大小。


    内存资源监控阈值 内存监视器_windows_02


    获取所有进程的主要过程是先获取所有进程的一个snapshot，由于进程信息和数量是动态变化的，所以需要先获取一个静态的信息集；其次，类似于目录检索对snapshot进行顺序检索，获取进程信息。

    ③ 创建进程snapshot

      • CreateToolhelp32Snapshot
HANDLE CreateToolhelp32Snapshot(
 DWORD dwFlags,
 DWORD th32ProcessID
);

      其中，DWORD dwFlags表明该函数获取多少有关属性到snapshot中，DWORD th32ProcessID指需要获取的进程的pid。0表示是最近的进程。

      ④ 遍历进程

      我们用到的数据结构为PROCESSENTRY32，用到的API为Process32First和Process32Next。

        • PROCESSENTRY32
typedef struct tagPROCESSENTRY32 {
 DWORD dwSize;
 DWORD cntUsage;
 DWORD th32ProcessID;
 ULONG_PTR th32DefaultHeapID;
 DWORD th32ModuleID;
 DWORD cntThreads;
 DWORD th32ParentProcessID;
 LONG pcPriClassBase;
 DWORD dwFlags;
 TCHAR szExeFile[MAX_PATH];
} PROCESSENTRY32, *PPROCESSENTRY32;

        在使用前必须指定dwSize = sizeof(PROCESSENTRY32)。

          • Process32First
BOOL Process32First(
 HANDLE hSnapshot,
 LPPROCESSENTRY32 lppe
);

          HANDEL hSnapshot是从上述CreateToolhelp32Snapshot获得的，LPPROCESSENTRY32 lppe是PROCESSENTRY32的指针。

            • Process32Next
BOOL Process32Next(
 HANDLE hSnapshot,
 LPPROCESSENTRY32 lppe
);

            其中，hSnapshot是同一个，不同的是lppe此时有了值，用于保存当前项的下一项的进程的状态信息。


            内存资源监控阈值 内存监视器_windows_03


            ⑤ 获取单个进程的详细信息#

            使用到的主要数据结构有：SYSTEM_INFO，MEMORY_BASIC_INFORMATION,使用到的主要API有：GetNativeSystemInfo，VirtualQueryEx和OpenProcess。

              • MEMORY_BASIC_INFORMATION
typedef struct _MEMORY_BASIC_INFORMATION {
 PVOID BaseAddress;
 PVOID AllocationBase;
 DWORD AllocationProtect;
 SIZE_T RegionSize;
 DWORD State;
 DWORD Protect;
 DWORD Type;
} MEMORY_BASIC_INFORMATION, *PMEMORY_BASIC_INFORMATION;

              其中，PVOID BaseAddress是页面区域的基地址，DWORD AllocationProtect是判定如果这个页面区域是初始获取的，则为其页面区域的保护方式，SIZE_T RegionSize是当前块的大小，DWORD State是当前页面块的状态，MEM_COMMIT、MEME_FREE、MEM_RESERVE是其三种状态，DWORD Protect是当前块中的页面访问方式，DWORD Type是块类型，MEM_IMAGE、MEM_MAPPED、MEM_PRIVATE是其三种类型。

                • OpenProcess
HANDLE OpenProcess(
 DWORD dwDesiredAccess,
 BOOL bInheritHandle,
 DWORD dwProcessId
);

                其中，DWORD dwDesiredAccess是访问该进程的方式，BOOL bInheritHandle为真时，该进程的子进程也将继承该函数的返回句柄，DWORD dwProcessId是要打开的进程的PID。

                  • VirtualQueryEx
SIZE_T VirtualQueryEx(
 HANDLE hProcess,
 LPCVOID lpAddress,
 PMEMORY_BASIC_INFORMATION lpBuffer,
 SIZE_T dwLength
);

                  其中，hProcess是要查询的进程的句柄，lpAddress是要查询的进程的虚存的块的基地址，lpBuffer是指向要保存相关信息的数据的指针就是上文提到的MEMORY_BASIC_INFORMATION，dwLength = sizeof(MEMORY_BASIC_INFORMATION）。

                  1. 编写、编译代码

                  在Visual Studio中编写C++代码，使用动态链接库，实现相应功能。

                  1. 运行得到结果


                  内存资源监控阈值 内存监视器_windows_04


                  1. 编写、编译代码

                  在Visual Studio中编写C++代码，使用动态链接库，实现相应功能。

                  1. 运行得到结果


                  内存资源监控阈值 内存监视器_Powered by 金山文档_05


                  四、实验结果及分析

                  操作过程中，我们通过对问题描述的分析，完成获取系统信息、获取物理内存信息、获取所有进程的基本信息、获取单个进程的详细信息，完成了内存监视器的设计，能实时地显示当前系统中内存的使用情况，包括系统地址空间的布局，物理内存的使用情况，也能实时显示某个进程的虚拟地址空间布局和工作集信息等，实验结果见附录。

                  五、实验收获与体会

                  “内存监视”是操作系统知识里非常重要的部分，通过本次实验，我进一步加深了对内存和进程概念的理解，深刻了解到内存监视的过程。

                  通过本实验，我掌握了许多在Windows下关于内存信息的系统调用函数，了解系统内部内存的工作方式和工作情况，对获取系统信息的API有了更加深入的了解，同时对操作系统内存分配方式有了进一步的印象。

                  Windows把每个进程的虚拟内存地址映射到物理内存地址，操作系统通过页式管理的方式对内存进行管理。

                  在亲自动手实验的过程中，我对本章知识点有了更深刻的理解，同时也复习了程序设计方面的知识，这次实验让我收获颇多！

                  项目源码及实验报告：https://github.com/YourHealer/OS-Memory-Monitor.git