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：
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；
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);
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。
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。
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）。
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。
运行得到结果
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。
运行得到结果
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