实验内容

理解请求分页式虚拟存储管理方案中的页面置换算法，理解缺页中断率的概念并可以进行正确地统计。具体要求如下：

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）：
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；
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。

实验源码

#include<iostream>
constexpr int PageTableLength = 20;//页表长度
constexpr int TotalFream = 5;//页框长度//关于随机数生成频率的设置
constexpr int Frame_Locality_Frequence = 90;
constexpr int Frame_Locality_Begin = 5;
constexpr int Frame_Locality_End = 8;
//关于随机数生成频率的设置struct PageItem
{int PageFrame;bool IsValid;bool IsWritten;
};//使用Rdrand指令提供的真随机数，该指令是Inter的IA32和AMD64架构特有的，并且需要在Ivy Bridge微架构之后该条指令才加入Inter标准，
//标准的使用用法应当判断架构类型和微架构类型，此处省略
unsigned int GetRand() {__asm {RdRand eax}
}//提供具有局部性的随机数，特点是返回的随机数中以MostFrequence的频率分布在BeginMostFrame至EndMostFrame中间
//参数需要满足：BeginFrame<BeginMostFrame<EndMostFrame<EndFrame
int Get_RequestFrame(int MostFrequence, int BeginMostFrame, int EndMostFrame, int BeginFrame, int EndFrame) {if (GetRand() % 100 < MostFrequence) {return GetRand() % (EndMostFrame - BeginMostFrame) + BeginMostFrame;}else {if (GetRand() % 100 < 50) {return GetRand() % (BeginMostFrame - BeginFrame) + BeginFrame;}else {return GetRand() % (EndFrame - EndMostFrame) + EndMostFrame;}}
}//本次实验采用了空间换时间策略，使用了反向页表//MMU类模拟地址转换的一部分内容，提供基础的数据结构
class MMU
{
public:void Run(int LoopNum,int FrameLocality=0) {for (int loop_1 = 0; loop_1 < LoopNum; loop_1++){unsigned int ThisLoop_RequestFrame;if (FrameLocality) {ThisLoop_RequestFrame = Get_RequestFrame(Frame_Locality_Frequence, Frame_Locality_Begin, Frame_Locality_End, 0, PageTableLength);}else {ThisLoop_RequestFrame = GetRand() % PageTableLength;}if (PageTable[ThisLoop_RequestFrame].IsValid == 0) {if (Used_Frame_Num < TotalFream) {CallIn_Algorithm(ThisLoop_RequestFrame);Used_Frame_Num++;}else {Swap_Algorithm(ThisLoop_RequestFrame);}Page_Fault++;}Statistics_Algorithm(ThisLoop_RequestFrame);}}void virtual Swap_Algorithm(int RequestFrame) { ; }void virtual Statistics_Algorithm(int RequestFrame) { ; }void virtual CallIn_Algorithm(int RequestFrame) {Reversed_PageTable[Used_Frame_Num] = RequestFrame;PageTable[RequestFrame].IsValid = 1;PageTable[RequestFrame].PageFrame = Used_Frame_Num;}int Page_Fault=0;int  Used_Frame_Num=0;int Reversed_PageTable[TotalFream];PageItem PageTable[PageTableLength];MMU() {for (int i = 0; i < PageTableLength; i++){PageTable[i].IsValid = 0;PageTable[i].IsWritten = 0;PageTable[i].PageFrame = 0;}}
};//MMU类模拟地址转换的一部分内容，提供基础的数据结构class FIFO:public MMU
{
public:int Longest_PageFrame = 0;void Swap_Algorithm(int RequestFrame) {PageTable[Reversed_PageTable[Longest_PageFrame]].IsValid = 0;PageTable[RequestFrame].IsValid = 1;PageTable[RequestFrame].PageFrame = Longest_PageFrame;Reversed_PageTable[Longest_PageFrame] = RequestFrame;Longest_PageFrame = (Longest_PageFrame + 1) % TotalFream;}};class LRU:public MMU
{
public:LRU() {for (int i = 0; i < PageTableLength; i++){Counter_PageNum[i] = 0;}}int Counter_PageNum[PageTableLength];void Swap_Algorithm(int RequestFrame) {int Min = -1;int Min_Index = 0;for (int loop_1 = 0; loop_1 < TotalFream; loop_1++){if (Counter_PageNum[Reversed_PageTable[loop_1]] > Min)Min_Index = loop_1;}PageTable[RequestFrame].IsValid = 1;PageTable[RequestFrame].PageFrame = Min_Index;PageTable[Reversed_PageTable[Min_Index]].IsValid = 0;Counter_PageNum[RequestFrame] = 0;Reversed_PageTable[Min_Index] = RequestFrame;}void Statistics_Algorithm(int RequestFrame) {Counter_PageNum[RequestFrame]++;}
};int main() {FIFO _FIFO;LRU  _LRU;int RequestNum = 10000;_FIFO.Run(RequestNum,1);printf("FIFO算法运行%d次发生缺页的次数为%d，缺页发生率为:%.2f\n", RequestNum, _FIFO.Page_Fault,_FIFO.Page_Fault/(RequestNum*1.0));_LRU.Run(RequestNum,1);printf("LRU算法运行%d次发生缺页的次数为%d，缺页发生率为:%.2f\n", RequestNum, _LRU.Page_Fault, _LRU.Page_Fault / (RequestNum*1.0));
}

需要注意的是在LRU算法中并没有使用效率最高的老化算法，原因是在模拟中并不需要考虑LRU算法的实现效率问题。
另外还需要解释一下Get_RequestFrame这个函数，该函数能够生成符合程序局部性原理的随机数集合，实现思路也并不复杂：生成一个(0,100)范围内的随机数来决定当前生成数的范围。其生成的频率分布图大致如下所示（画工太渣，不要介意）：

实验结果

在10000次请求中，实验结果如下所示：

页框数	缺页次数	缺页率	请求次数
3	2745	0.27	10000
3	1769	0.18	10000
5	1640	0.16	10000
5	851	0.09	10000
10	725	0.07	10000
10	458	0.05	10000

对应的结果图片如下所示：

结果分析

从表格可以看到，在程序集中访问率为90%的情况下，能够较好的还原出课堂上的统计结果：

页框数越少，缺页率越严重，两种算法的差距越明显；
当页框数增加到一定程度后，两种算法的差距将可以忽略；

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南京邮电大学操作系统——实验三：页面置换算法

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