南京邮电大学操作系统实验三：虚拟内存页面置换算法

实验内容

使用数组存储一组页面请求，页面请求的数量要50个以上，访问的页面号可以用随机数生成（0~20）：

（1）设置为分配给进程的页框数（假定是5），使用LRU算法，模拟完成全部的页面请求，最后输出总共发生了多少次缺页；重新设置页框为10，模拟过程，完成输出，观察页框数量对缺页中断率的影响；

（2）在相同页框的情况下，使用FIFO算法模拟全部的页面请求，以此来比对FIFO和LRU之间的差别。

FIFO算法：先进先出算法，优先淘汰最早进入内存的页面，亦即在内存中驻留时间最久的页面。

LRU算法：最近最少使用页面替换算法，利用局部性原理，根据一个作业在执行过程中过去的页面访问历史来推测未来的行为。它认为过去一段时间里不曾被访问过的页面，在最近的将来可能也不会再被访问。所以，这种算法的实质是：当需要淘汰一个页面时，总是选择在最近一段时间内最久不用的页面予以淘汰。

具体代码如下：

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<iomanip>
using namespace std;
int GetDistance(int currentPageID,int page);//按照页面编号获取在物理块内的页面最久未使用的时间
class BLOCK
{
public:int blockNum;    //物理块总数int pageNum; //物理块中的页面数量 int *pageID;    //页面号（大小为blockNum）int *stayTime;  //页面在物理块中的停留时间（与物理块ID对应）BLOCK(int num){int i;pageNum=0;blockNum=num;pageID=new int[num];stayTime=new int[num];for(i=0;i<num;i++){pageID[i]=-1; //初始化每个物理块中没有放置，页面号表示为-1stayTime[i]=0;  //初始化停留时间为0}}void Init(){int i;int num=blockNum;pageNum=0;pageID=new int[num];stayTime=new int[num];for(i=0;i<num;i++){pageID[i]=-1; //初始化每个物理块中没有放置，页面号表示为-1stayTime[i]=0;  //初始化停留时间为0}}void ShowPage(){int i;for(i=0;i<blockNum;i++)cout<<"Page["<<i<<"]: "<<pageID[i]<<endl;}void ShowStayTime(){int i;for(i=0;i<blockNum;i++)cout<<"Stay["<<i<<"]: "<<stayTime[i]<<endl;}int GetLongestStay()   //获取在物理块中停留时间最长的页面所在物理块号 {int i;int max_pos=0;for(i=0;i<pageNum;i++)if(stayTime[max_pos]<stayTime[i])max_pos=i;return max_pos;}int GetRencentNotUse(int currentPageID)   //获取在物理块中最近最久未使用的页面编号 {//默认currentPageID一定大于等于BLOCKNUMint i;int DestID=0;for(i=0;i<blockNum;i++){if(GetDistance(currentPageID,pageID[i])>GetDistance(currentPageID,pageID[DestID]))DestID=i;}return DestID;}
};  //物理块数据结构定义//-----------------------全局变量-------------------------
int BLOCKNUM;       //物理块数
int *PVS;           //PageVisitSequence页面访问序列
int PVS_NUM;        //页面访问序列长度
int **replaceTable; //页面置换表格（维度：BLOCKNUM*PVS_NUM）
int *replaceArray;  //页面置换标志数组（大小为访问页面的次数，存储每次访问是否进行页面置换）
int *lackArray;     //缺页中断标志数组（大小为访问页面的次数，存储每次访问是否存在缺页中断）
//-----------------------函数声明-------------------------
void showMenu();                            //菜单显示
int  InputAndInit();                        //数据输入和变量初始化
void ReplaceFIFO(BLOCK block);              //FIFO页面置换算法
int FindPage(int pageID,BLOCK block);       //页面查找（按照页面编号在物理块中查找页面是否存在）
void ShowReplaceTable();                    //置换表格输出
void ReplaceLRU(BLOCK block);               //LRU页面置换算法
void InfoDisplay();                         //初始化信息显示
int GetReplaceTimes();                      //获取页面置换总次数
int GetLackTimes();                         //获取缺页中断总次数
//-----------------------函数定义-------------------------
int main()
{int select;int i;cout<<"------请按提示输入算法模拟需要的数据------"<<endl;InputAndInit();BLOCK block(BLOCKNUM); //定义物理块 cout<<"信息初始化完成！"<<endl<<endl;showMenu();cout<<"------请输入要进行的操作------"<<endl;cin>>select;while(1){switch(select){case 1:InfoDisplay();cout<<endl;break;case 2:ReplaceFIFO(block);cout<<"|==> FIFO页面调度算法正在执行"<<endl;ShowReplaceTable();cout<<"页面置换次数为："<<GetReplaceTimes()<<endl;cout<<"缺页中断次数为："<<GetLackTimes()<<endl;cout<<"缺页率为：" << double(GetLackTimes()) / 50 * 100.00 << "%" << endl;cout<<endl;cout<<endl;break;case 3:ReplaceLRU(block);cout<<"|==> LRU页面调度算法正在执行"<<endl;ShowReplaceTable();cout<<"页面置换次数为："<<GetReplaceTimes()<<endl;cout<<"缺页中断次数为："<<GetLackTimes()<<endl;cout<<"缺页率为：" << double(GetLackTimes()) / 50 * 100.00 << "%" << endl;cout<<endl;cout<<endl;break;case 0:cout<<"欢迎下次使用"<<endl;return 0;default:cout<<"输入有误，请重新输入！"<<endl;cout<<endl;break; }//------防止页面置换和缺页次数计算错误------------- for(i=0;i<PVS_NUM;i++){replaceArray[i]=0;                  //页面置换标志数组初始化为0 lackArray[i]=0;                    //缺页中断标志数组初始化为0 } showMenu();cout<<"请输入要进行的操作（退出请输入0）："<<endl;cin>>select;}delete[] PVS;delete[] replaceArray;delete[] lackArray;for(i=0;i<BLOCKNUM;i++)delete[] replaceTable[i];delete[] replaceTable;return 0;
}
//----------------------FIFO页面置换算法--------------------------
void ReplaceFIFO(BLOCK block)           //FIFO页面置换算法
{int i,j;for(i=0;i<BLOCKNUM;i++)for(j=0;j<PVS_NUM;j++)replaceTable[i][j]=0;block.Init();int replacePosition;               //待置换位置 for(i=0;i<PVS_NUM;i++)                //依次对页面访问序列的每一个页面PVS[i]进行操作{for(j=0;j<block.pageNum;j++)block.stayTime[j]++;            //每循环一次，物理块（0~pageNum）停留时间自增 if(block.pageNum<block.blockNum){if(!FindPage(PVS[i],block))   //若页面PVS[i]不存在{lackArray[i]=1;         //由于访问页面不存在造成页面中断 block.pageID[block.pageNum]=PVS[i];block.pageNum++;}}else                          //FIFO算法（置换停留时间最长的页面所在物理块位置） {if(!FindPage(PVS[i],block)) //若页面PVS[i]不存在{replaceArray[i]=1;      //由于访问页面不存在且无空闲物理块造成页面置换lackArray[i]=1;            //由于访问页面不存在造成页面中断 replacePosition=block.GetLongestStay();block.pageID[replacePosition]=PVS[i];    //选择停留时间最长的页面置换block.stayTime[replacePosition]=0;      //置换后，该页面所在物理位置停留时间清零 }}for(j=0;j<BLOCKNUM;j++)replaceTable[j][i]=block.pageID[j];    //将访问一次页面后的结果存入数组中（replaceTable）}
}
int FindPage(int pageID,BLOCK block)        //页面查找（按照页面编号在以存放页面的物理块（长度为pageNum）中查找页面是否存在）
{int i=0;for(i=0;i<block.pageNum;i++)if(block.pageID[i]==pageID)break;return !(i==block.pageNum);                //若页面存在，则返回1，否则返回0
}
//----------------------LRU页面置换算法--------------------------
void ReplaceLRU(BLOCK block)            //LRU页面置换算法
{int i,j;for(i=0;i<BLOCKNUM;i++)for(j=0;j<PVS_NUM;j++)replaceTable[i][j]=0;block.Init();int replacePosition;               //待置换位置 for(i=0;i<PVS_NUM;i++)                //依次对页面访问序列的每一个页面PVS[i]进行操作{for(j=0;j<block.pageNum;j++)block.stayTime[j]++;            //每循环一次，物理块（0~pageNum）停留时间自增 if(block.pageNum<block.blockNum){if(!FindPage(PVS[i],block))   //若页面PVS[i]不存在{lackArray[i]=1;         //由于访问页面不存在造成页面中断 block.pageID[block.pageNum]=PVS[i];block.pageNum++;}}else                          //FIFO算法（置换停留时间最长的页面所在物理块位置） {
//          TODO:若页面已存在的情况（上述三条语句应该是页面不存在的情况，应加上if(页面在物理块中不存在)的判断） By_2018.06.15_16:11if(!FindPage(PVS[i],block))  //若页面PVS[i]不存在{replaceArray[i]=1;      //由于访问页面不存在且无空闲物理块造成页面置换lackArray[i]=1;            //由于访问页面不存在造成页面中断 replacePosition=block.GetRencentNotUse(i);block.pageID[replacePosition]=PVS[i]; //选择停留时间最长的页面置换block.stayTime[replacePosition]=0;      //置换后，该页面所在物理位置停留时间清零 }}for(j=0;j<BLOCKNUM;j++)replaceTable[j][i]=block.pageID[j];    //将访问一次页面后的结果存入数组中（replaceTable）}
}
//----------------------OTHRES--------------------------
void showMenu()                     //菜单显示
{cout<<"\t\t|----------------------------MENU-------------------------------|"<<endl;cout<<"\t\t|                     1. 初始化信息显示                         |"<<endl;cout<<"\t\t|                    2. FIFO页面置换算法                        |"<<endl;cout<<"\t\t|                     3. LRU页面置换算法                        |"<<endl;cout<<"\t\t|                        0. 退出程序                            |"<<endl;cout<<"\t\t|---------------------------------------------------------------|"<<endl;
}
int InputAndInit()                  //数据输入和变量初始化
{int i=0;int j=0;int count = 0;int PVS_char[100];cout << "调入的页面按如下顺序(以0为结束标志)："<<endl;for(i=0;i<50;i++){PVS_char[i]=rand()%20+1;cout<<PVS_char[i]<<"  ";count++;}cin>>PVS_char[50];getchar();cout<<endl;cout<<"请输入物理块数：";cin>>BLOCKNUM;while(PVS_char[50]!=0){i++;cin>>PVS_char[i];getchar();}PVS_NUM=i;PVS=new int[PVS_NUM];for(i=0;i<PVS_NUM;i++)PVS[i]=PVS_char[i];replaceArray=new int[PVS_NUM];lackArray=new int[PVS_NUM];for(i=0;i<PVS_NUM;i++){replaceArray[i]=0;                    //页面置换标志数组初始化为0 lackArray[i]=0;                    //缺页中断标志数组初始化为0 } replaceTable=new int*[BLOCKNUM]; //页面置换表初始化for(i=0;i<BLOCKNUM;i++)replaceTable[i]=new int[PVS_NUM];return count;
}
void ShowReplaceTable()                     //置换表格输出
{int i,j;cout<<"页面置换过程如下图所示"<<endl<<endl;cout<<"页面置换过程 "<<endl;for(i=0;i<BLOCKNUM;i++){for(j=0;j<PVS_NUM;j++){if(replaceTable[i][j]!=-1)cout<<"|"<<setw(2)<<replaceTable[i][j];else cout<<"|"<<setw(2)<<" ";   //-1时代表该物理块无页面，不输出}cout<<"|"<<endl;}cout<<"页面置换标志 "<<endl;for(i=0;i<PVS_NUM;i++)cout<<" "<<setw(2)<<replaceArray[i];cout<<endl;cout<<"页面中断标志 "<<endl;cout.fill(' ');for(i=0;i<PVS_NUM;i++)cout<<" "<<setw(2)<<lackArray[i];cout<<endl<<endl;
}
int GetDistance(int currentPageID,int page) //按照页面编号获取在物理块内的页面最久未使用的时间（
{int distance=0;int i;for(i=currentPageID-1;i>=0;i--)if(PVS[i]!=page)distance++;else break;return distance;
}
void InfoDisplay()                          //初始化信息显示
{int i;cout<<"本页面置换模拟算法中: "<<endl;cout<<"物理块数为： "<<BLOCKNUM<<endl;cout<<"页面访问序列为：";for(i=0;i<PVS_NUM;i++)cout<<PVS[i]<<" ";cout<<endl;
}
int GetReplaceTimes()                       //获取页面置换总次数
{int sum=0;int i;for(i=0;i<PVS_NUM;i++)sum+=replaceArray[i];return sum;
}
int GetLackTimes()                          //获取页面中断总次数
{int sum=0;int i;for(i=0;i<PVS_NUM;i++)sum+=lackArray[i];return sum;
}

运行结果如下：

页框数为5时，FIFO算法缺页率为72%，LRU算法缺页率为76%

页框为3，FIFO算法缺页率为88%，LRU算法缺页率为88%。

页框为4 FIFO算法缺页率为82%，LRU算法缺页率为86%。

页框为6, FIFO算法缺页率为72%，LRU算法缺页率为76%。

页框数为9, FIFO算法缺页率为66%，LRU算法缺页率为62%。

页框数为10，FIFO算法缺页率为56%，LRU算法缺页率为52%。

根据上述结果可知，影响缺页中断率的因素有：①分配给作业的主存块数；②页面大小；③程序编制方法；④页面调度算法选用的不同。

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