操作系统实验：存储管理（C++）

一、实验目的

存储管理的主要功能之一是合理地分配空间。请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。

本实验的目的是通过请求页式管理中页面置换算法模拟设计，了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。

二、实验内容

（1）通过计算不同算法的命中率比较算法的优劣。同时也考虑了用户内存

容量对命中率的影响。

页面失效次数为每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存中的次数。

在本实验中，假定页面大小为 1k，用户虚存容量为 32k，用户内存容量为 4 页到 32 页。

（2） produce_addstream 通过随机数产生一个指令序列，共 320 条指令。

A、指令的地址按下述原则生成：

1） 50%的指令是顺序执行的

2）25%的指令是均匀分布在前地址部分

3） 25%的指令是均匀分布在后地址部分

B、具体的实施方法是：

1）在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点 m；

2）顺序执行一条指令，即执行地址为 m+1 的指令；

3）在前地址[0，m+1]中随机选取一条指令并执行，该指令的地址为 m’；

4）顺序执行一条指令，地址为 m’+1 的指令

5）在后地址[m’+2，319]中随机选取一条指令并执行；

6）重复上述步骤 1）~5），直到执行 320 次指令

C、将指令序列变换称为页地址流

在用户虚存中，按每 k 存放 10 条指令排列虚存地址，即 320 条指令在虚存中的存放方式为：

第 0 条~第 9 条指令为第 0 页（对应虚存地址为[0，9]）；

第 10 条~第 19 条指令为第 1 页（对应虚存地址为[10，19]）；

。。。。。。

第 310 条~第 319 条指令为第 31 页（对应虚存地址为[310，319]）；

按以上方式，用户指令可组成 32 页。

（3）计算并输出下属算法在不同内存容量下的命中率。

1）先进先出的算法（FIFO）；

2）最近最少使用算法（LRU）；

3）最佳淘汰算法（OPT）；

4）最少访问页面算法（LFR）；

其中 3）和 4）为选做内容

实验方案

实验代码

#include<iostream>
#include<ctime>
#include<cstdlib>
using namespace std;
#define dx 32                                           //物理块数
struct element{                                         //用来排序的数据结构 int data;                                       //数据 int index;                                     //序号
};
int cmp(const void *a,const void *b){                   //升序排序return((struct element*)a)->data - ((struct element*)b)->data;
}
void rand(int a[],int n){int i;struct element ele[320];srand((int)time(0));                             //初始化随机数种子 for(i=0;i<n;i++){ele[i].data=rand();                              //随机生成一个数 ele[i].index=i+1;}qsort(ele,n,sizeof(ele[0]),cmp);                  //排序 for(i=0;i<n;i++){a[i]=ele[i].index;}
}
class FIFO{                                             //FIFO类
private:int page[dx];int time[dx];int zhCount;                                      //置换次数int qyCount;                                      //非置换缺页次数
public:FIFO(){                                              //初始化for(int i=0;i<dx;i++)time[i]=0;for(int i=0;i<dx;i++)page[i]=-1;zhCount=0;qyCount=0;}void changePage(int m,int n){page[m]=n;time[m]=0;}   //将m号物理块内容变为页n,时间归零 int returnPage(int m){return page[m];}int returnTime(int m){return time[m];}int zh(){return zhCount;}int qy(){return qyCount;}int longestTime(){                                    //计算时间最长的块 int max=0;for(int i=0;i<dx;i++){if(time[i]>time[max])max=i;}return max;}int empty(){                                      //判断是否有空for(int i=0;i<dx;i++){if(page[i]==-1)return i;                  //返回值非-1说明有空,空物理块位置为i}return -1;                                        //返回-1说明没空}bool hit(int m){                                 //判断是否命中for(int i=0;i<dx;i++){if(page[i]==m)return true;}return false;}void alFIFO(int m){                                      //FIFO算法if(hit(m)){if(empty()==-1)for(int i=0;i<dx;i++)time[i]++; //命中后，所有时间均加一else for(int i=0;i<empty();i++)time[i]++;}else{if(empty()==-1){                               //没空changePage(longestTime(),m);                //修改页面for(int i=0;i<dx;i++){time[i]++;                              //更换页面后,所有时间+1}zhCount++;                                    //置换次数+1}else{                                         //有空int e=empty();for(int i=0;i<e;i++)time[i]++;changePage(e,m);                           //将第一个空物理块内容变为页mtime[e]++;qyCount++;                                    //缺页次数+1}}}
};
class LRU{                                                  //LRU类
private:int page[dx];int zhCount;int qyCount;
public:LRU(){for(int i=0;i<dx;i++)page[i]=-1;zhCount=0;qyCount=0;}             //初始化void changePage(int m,int n){page[m]=n;}          //将m号物理块内容变为页nint returnPage(int m){return page[m];}int zh(){return zhCount;}int qy(){return qyCount;}int empty(){                                      //判断是否有空for(int i=0;i<dx;i++){if(page[i]==-1)return i;                  //返回值非-1说明有空,空物理块位置为i}return -1;                                        //返回-1说明没空}int hit(int m){                                      //判断是否命中for(int i=0;i<dx;i++){if(page[i]==m)return i;                       //命中返回物理块i}return -1;                                       //未命中返回-1}void alLRU(int m){                                    //LRU算法if(hit(m)!=-1){                                 //命中int h=hit(m);if(h>0){for(int i=h;i>0;i--)page[i]=page[i-1];  //1到命中的物理块，全部后移一位page[0]=m;                               //m页移到第一位}}else{                                            //未命中if(empty()==-1){                         //没空for(int i=dx-1;i>0;i--)page[i]=page[i-1];page[0]=m;zhCount++;}else{                                     //有空for(int i=empty();i>0;i--)page[i]=page[i-1];page[0]=m;qyCount++;}}}
};
int main(){int a[320];rand(a,320);                                      //生成320的随机随机数列int b[320];for(int i=0;i<320;i++){                              //生成相应页数列b[i]=a[i]/10;if(a[i]==320)b[i]=0;}int count=0;/*cout<<"以下为指令流：\n";for(int i=0;i<320;i++){                                //输出随机数列cout<<a[i]<<"  ";count++;if(count%8==0)cout<<endl;}cout<<endl<<endl;count=0;cout<<"以下为页码流：\n";for(int i=0;i<320;i++){                             //输出相应页数列cout<<b[i]<<" ";count++;if(count%8==0)cout<<endl;}*/cout<<"如需要改变物理块个数，请在代码第5行，修改dx的值（确保在1-32之间）\n";cout<<"请选择页面置换算法（f：FIFO。l：LRU。b：比较）：\n";char y;cin>>y;switch(y){case'f':{FIFO x;for(int i=0;i<320;i++){x.alFIFO(b[i]);/*cout<<"页面    时间\n";int count=0;for(int j=0;j<dx;j++){cout<<x.returnPage(j)<<"   "<<x.returnTime(j)<<" ";count++;if(count%4==0)cout<<endl;}*/}double hitRate=1.0-(double)(x.qy()+x.zh())/320;cout<<"命中率为："<<hitRate<<endl;break;}case'l':{LRU x;for(int i=0;i<320;i++){x.alLRU(b[i]);/*cout<<"页面：  ";for(int j=0;j<dx;j++)cout<<x.returnPage(j)<<"   ";cout<<endl;*/}double hitRate=1.0-(double)(x.qy()+x.zh())/320;cout<<"命中率为："<<hitRate<<endl;break;}case'b':{FIFO x;for(int i=0;i<320;i++)x.alFIFO(b[i]);double hitRate1=1.0-(double)(x.qy()+x.zh())/320;cout<<"FIFO命中率为："<<hitRate1<<endl;LRU z;for(int i=0;i<320;i++)z.alLRU(b[i]);double hitRate2=1.0-(double)(z.qy()+z.zh())/320;cout<<"LRU命中率为："<<hitRate2<<endl;}}system("pause");return 0;
}

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