操作系统页面置换算法实验报告

实验指导一
、页面置换算法的基本内容
1.1 页面置换算法是在当进程运行过程中，若其要访问的页面不在内存且内存已满时，要决定将哪个页面换出的算法。常见的页面置换算法包括最佳置换、先进先出置换、最近最久未使用置换和Clock置换等。本次的实验实现的算法包括最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）和最近最久未使用算法（LRU）。
1.2 页面置换算法涉及到一些概念如下：缺页率：当需要访问的页面不在内存时称为缺页，此时需要将页面调入内存。缺页率就是要访问的页面不在内存中的概率。因此缺页率=缺页次数/要访问的页面总数。需要注意的是，缺页的时候不一定需要进行页面置换（如果内存还没满，直接将页面调入内存即可）。
置换率：置换就是将旧页面调出内存，新页面调进内存，即新页面代替旧页面的过程。置换率就是需要进行页面置换的概率。所以置换率=置换次数/要访问的页面总数。
命中率：就是要访问的页面恰好在内存中的概率。可以发现（缺页率+命中率=1）。最佳置换算法
最佳置换算法，就是所选择内存中以后永远不再使用，或者是在未来最长的一段时间内不再被访问的页面来换出。用这种算法可以保证获得最低的缺页率，最低的置换次数，因此效率最高。然而在实际情况中，我们是无法知道哪个页面是未来最长时间内不再被访问的，所以实际上它是无法实现的。
先进先出置换算法先进先出置换算法，就是选择内存中最先进入内存，在内存中呆的最久的页面来换出。它实现简单，但是效率不高。最近最久未使用算法
最近最久未使用算法，是选择当前内存中，最久没有被访问的页面来换出。它是希望通过过去页面访问的情况，来预测未来页面的访问情况，但是页面过去与未来的走向之间并没有必然的联系，因此它的效率也不是十分高。

根据实验指导书搜索资料编写实验代码

代码功能:
根据自己输入物理块数量,访问页面总数,要访问的页面号,
然后选择所需的置换算法 OPT,FIFO,LRU 三选一. 计算过程,并得出缺页次数,缺页率,置换次数,命中率的结果;
1.使用FIFO置换算法

2.使用OPT置换算法

#include <stdio.h>//初始化队列
void initializeList(int list[],int number){for (int i = 0; i < number; i ++) {list[i] = -1;}
}
//展示队列状态
void showList(int list[], int number){for (int i = 0; i < number; i ++) {printf("%2d",list[i]);}printf("\n");
}//展示当前内存状态
void showMemoryList(int list[],int phyBlockNum){for (int i = 0; i < phyBlockNum; i ++) {if (list[i] == -1) {break;}printf(" |%d|",list[i]);}printf("\n");
}void informationCount(int missingCount,int replaceCount,int pageNum){printf("缺页次数:%d   缺页率:%d/%d\n",missingCount,missingCount,pageNum);double result = (double)(pageNum - missingCount)/(double)pageNum;printf("置换次数:%d  命中率:%.2f\n",replaceCount,result);
}//找到该页面下次要访问的位置
int getNextPosition(int currentPage,int currentPosition,int strList[],int pageNum){for (int i = currentPosition+1; i < pageNum; i ++) {if (strList[i] == currentPage) {return i;}}return 100;
}//最佳置换算法
void replacePageByOPT(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){//置换次数int replaceCount = 0;//缺页次数int missingCount = 0;//记录在内存的物理块的下一次访问位置int nextPosition[phyNum];//初始化initializeList(nextPosition, phyNum);//记录当前页面的访问情况: 0 未访问int isVisited;for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {isVisited = 0;//判断是否需要置换->内存已满且需要访问的页面不在内存中for (int j = 0; j < phyNum; j ++) {if (memoryList[j] == strList[i]) {//该页面已经存在内存中//记录下一次访问它的位置nextPosition[j] = getNextPosition(memoryList[j], i, strList, pageNum);//修改访问情况isVisited = 1;//展示printf("%d\n",strList[i]);break;}if (memoryList[j] == -1) {//页面不在内存中且内存未满->直接存入memoryList[j] = strList[i];nextPosition[j] = getNextPosition(memoryList[j], i, strList, pageNum);missingCount ++;//修改访问情况isVisited = 1;//展示printf("%d\n",strList[i]);showMemoryList(memoryList, phyNum);break;}}if (!isVisited) {//当前页面还没访问过//内存已满且当前访问不在内存中->进行置换//1.寻找到最晚才被访问到的页面int max = 0;for (int k = 1; k < phyNum; k ++) {if (nextPosition[max] < nextPosition[k]) {max = k;}}//2.将该位置的页面换出memoryList[max] = strList[i];nextPosition[max] = getNextPosition(memoryList[max], i, strList, pageNum);missingCount ++;replaceCount ++;//展示printf("%d\n",strList[i]);showMemoryList(memoryList, phyNum);}}informationCount(missingCount, replaceCount,pageNum);
}
//先进先出置换算法
void replacePageByFIFO(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){//置换次数int replaceCount = 0;//缺页次数int missingCount = 0;//记录当前最早进入内存的下标int pointer = 0;//记录当前页面的访问情况: 0 未访问int isVisited = 0;for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {isVisited = 0;//判断是否需要置换->内存已满且需要访问的页面不在内存中for (int j = 0; j < phyNum; j ++) {if (memoryList[j] == strList[i]) {//该页面已经存在内存中//修改访问情况isVisited = 1;//修改访问时间//展示printf("%d\n",strList[i]);break;}if (memoryList[j] == -1) {//页面不在内存中且内存未满->直接存入memoryList[j] = strList[i];//修改访问情况isVisited = 1;missingCount ++;//展示printf("%d\n",strList[i]);showMemoryList(memoryList, phyNum);break;}}if (!isVisited) {//当前页面还未被访问过->需要进行页面置换//直接把这个页面存到所记录的下标中memoryList[pointer] = strList[i];//下标指向下一个pointer ++;//如果到了最后一个，将下标归零if (pointer > phyNum-1) {pointer = 0;}missingCount ++;replaceCount ++;//展示printf("%d\n",strList[i]);showMemoryList(memoryList, phyNum);}}informationCount(missingCount, replaceCount, pageNum);
}//最近最久未使用置换算法
void replacePageByLRU(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){//置换次数int replaceCount = 0;//缺页次数int missingCount = 0;//记录内存中最近一次访问至今的时间int timeRecord[phyNum];//初始化initializeList(timeRecord, phyNum);//记录当前页面的访问情况: 0 未访问int isVisited = 0;//记录已经在内存中的页面数量int pageCount = 0;for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {isVisited = 0;//时间加一for (int p = 0; p < pageCount; p ++) {if (memoryList[p] != -1) {timeRecord[p] ++;}}//是否需要置换for (int j = 0; j < phyNum; j ++) {if (memoryList[j] == strList[i]) {//该页面已经存在内存中//修改访问情况isVisited = 1;//重置访问时间timeRecord[j] = -1;//展示printf("%d\n",strList[i]);break;}if (memoryList[j] == -1) {//页面不在内存中且内存未满->直接存入memoryList[j] = strList[i];pageCount ++;//修改访问情况isVisited = 1;//修改访问时间timeRecord[j] ++;missingCount ++;//展示printf("%d\n",strList[i]);showMemoryList(memoryList, phyNum);break;}}if (!isVisited) {//需要置换//1.遍历时间记录表，寻找最久未访问的页面所在的内存下标int max = 0;for (int k = 0; k < phyNum; k ++) {if (timeRecord[max] < timeRecord[k]) {max = k;}}//2.将该位置的页面换出memoryList[max] = strList[i];timeRecord[max] = -1;missingCount ++;replaceCount ++;//展示printf("%d\n",strList[i]);showMemoryList(memoryList, phyNum);}}informationCount(missingCount, replaceCount, pageNum);
}int main(int argc, const char * argv[]) {//物理块的数量int phyBlockNum;printf("请输入物理块数量:\n");scanf("%d",&phyBlockNum);//生成内存队列int memoryList[phyBlockNum];//初始化内存状态initializeList(memoryList, phyBlockNum);//showMemoryList(memoryList,phyBlockNum);//页面数量int pageNum;printf("请输入要访问的页面总数:\n");scanf("%d",&pageNum);//保存页面号引用串int pageNumStrList[pageNum];printf("请输入要访问的页面号:\n");for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {scanf("%d",&pageNumStrList[i]);}showList(pageNumStrList, pageNum);int chose;while (1) {printf("请选择所需的置换算法:\n");printf("1.OPT 2.FIFO 3.LRU 4.退出\n");scanf("%d",&chose);switch (chose) {case 1:showList(pageNumStrList, pageNum);replacePageByOPT(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);//重新初始化内存initializeList(memoryList, phyBlockNum);break;case 2:showList(pageNumStrList, pageNum);replacePageByFIFO(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);//重新初始化内存initializeList(memoryList , phyBlockNum);break;case 3:showList(pageNumStrList, pageNum);replacePageByLRU(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);//重新初始化内存initializeList(memoryList, phyBlockNum);break;default:return 0;break;}}return 0;
}

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