操作系统实验四-LRU算法的模拟

操作系统实验四：页式虚拟存储管理的模拟

一、实验目的：
掌握存储管理的基本原理、地址变换过程；用软件实现地址转换过程；用一种常用的页面置换算法来处理缺页中断并研究其命中率。
二、实验题目：
1、模拟请求分页存储管理的地址变换。
（1）请求分页虚拟存储器技术是把进程地址空间的全部信息存放在磁盘交换区上。当进程被选中运行时，先把进程的开始几页装入主存并启动运行。为此，在为进程建立页表时，应说明哪些页已在主存，哪些页不在主存。页表的格式如下表1所示：
表1 页表
页号有效位主存块号修改位外存地址
︙ ︙ ︙ ︙ ︙
其中：
有效位：表示对应页是否已经装入主存。0表示未装入，1表示已装入。
主存块号：表示该页面对应的主存块号地址。
修改位：表示该页进入主存后是否被修改过。0表示未修改过，1表示已修改过。
外存地址：表示该页内容存放在外存（磁盘）上的地址。
设计一个主存分块表，假定分配给进程的主存块数是M，且该进程开始的M页已装入主存。
（2）进程执行时，指令中的逻辑地址指出指令或操作数的地址中的页号和页内偏移量。硬件地址转换机构按页号查页表：
若该页有效位是1，表示该页已在主存，从而找到该页对应的主存块号。并根据如下公式计算出欲访问的主存地址：
绝对地址 = 块号*块的长度 + 页内偏移量
由于页的大小为2的整数次幂，所以，只要将块号和页内偏移量相拼接，放入主存地址寄存器，形成绝对地址。不去模拟指令的执行，而是输出被转换的地址即可。
若该页的有效位为0，则对应的页不在主存，将由硬件产生缺页中断，转操作系统处理。输出"该页号不在主存，产生缺页中断，转LRU缺页处理程序"。
假定主存每块长度为64个字节，主存共有128块。现有一个具有8页的进程，系统为它分配了4个主存块。其中第0～3页已经装入主存。该进程的页表如下表2所示，进程执行的指令序列如下表3所示，地址变换算法流程如图1所示。
表2 该进程的页表

页号	有效位	主存块号	修改位	外存地址
0	1	5	1	011
1	1	8	1	012
2	1	9	0	013
3	1	10	0	015
4	0			017
5	0			025
6	0			212
7	0			213

表3 进程的指令序列

操作	页号	单元号	操作	页号	单元号
+	0	040	移位	4	052
+	1	050	+	5	022
*	2	016	存	1	034
存	3	022	取	7	056
取	0	054	+	4	002
减	6	040	取	6	054

 表3中指令序列依次为左边6条、右边6条共12条指令，单元号即页内偏移量
2、模拟LRU置换算法实现分页管理的缺页处理。
在虚拟分页存储管理系统中，当硬件发出缺页中断后转操作系统处理缺页中断。如果主存中已无空闲块，采用LRU页面置换算法进行缺页处理。
用一个数组P构成堆栈，堆栈中的各元素为进程已在主存的页号。为了进行页面置换，可以设置一个栈指针HEAD，初始化为0；假设分配给每个进程的内存块数固定不变，为M；当栈满需要淘汰时，操作系统选择栈底的元素淘汰，其他元素向下移动一个位置，将新调入页放HEAD指示的栈顶。当访问的页在栈中时，还应调整页从当前位置到栈顶。采用LRU置换算法的过程如图2所示。每一次调整要求输出栈中元素。

三、实验过程记录：
根据以上说明设计一个（模拟）地址变换程序以及页面置换程序，程序的流程图分别如图1、图2所示。把运行结果显示到屏幕上。

import java.util.Objects;public class storerel {//初始化总页表static Pt Init(){Pt p1 = new Pt(0,1,5,1,11);Pt p2 = new Pt(1,1,8,1,12);Pt p3 = new Pt(2,1,9,0,13);Pt p4 = new Pt(3,1,10,0,15);Pt p5 = new Pt(4,0,-1,0,17);Pt p6 = new Pt(5,0,-1,0,25);Pt p7 = new Pt(6,0,-1,0,212);Pt p8 = new Pt(7,0,-1,0,213);Pt pstart = new Pt();pstart.next=p1;p1.next=p2;p2.next=p3;p3.next=p4;p4.next=p5;p5.next=p6;p6.next=p7;p7.next=p8;return pstart;}//初始化操作列表static Operate operlist(){Operate opstart = new Operate();Operate op1 = new Operate("+",0,40);Operate op2 = new Operate("+",1,50);Operate op3 = new Operate("*",2,16);Operate op4 = new Operate("存",3,22);Operate op5 = new Operate("取",0,54);Operate op6 = new Operate("减",6,40);Operate op7 = new Operate("移位",4,52);Operate op8 = new Operate("+",5,22);Operate op9 = new Operate("存",1,34);Operate op10 = new Operate("取",7,56);Operate op11 = new Operate("+",4,2);Operate op12 = new Operate("取",6,54);opstart.next = op1;op1.next=op2;op2.next=op3;op3.next=op4;op4.next=op5;op5.next=op6;op6.next=op7;op7.next=op8;op8.next=op9;op9.next=op10;op10.next=op11;op11.next=op12;return opstart;}//初始化页池（4个）static Pt ptpool(){Pt pstart = new Pt();Pt p1 = new Pt(0,1,5,1,11);Pt p2 = new Pt(1,1,8,1,12);Pt p3 = new Pt(2,1,9,0,13);Pt p4 = new Pt(3,1,10,0,15);pstart.next=p1;p1.next=p2;p2.next=p3;p3.next=p4;return pstart;}public static void main(String[] args) {Pt pt = Init();Pt ptpool=ptpool();Operate opt = operlist();Operate oppre=opt;while (oppre.next != null) {oppre=oppre.next;Pt psome = ptpool.find_pagenum(oppre.pagenum);if (psome.effectivenum!=-1){ptpool.send2first(psome);System.out.println("调用页面:"+ptpool.next.pagenum);int physicsaddress=64*psome.mmblocknum+oppre.pageoff;System.out.println("物理地址:"+physicsaddress);System.out.println(ptpool.toString());if(oppre.oper.equals("存")){psome.modify=1;}System.out.println("*******************************");}else {System.out.println("该页号不在主存，产生缺页中断，转LRU缺页处理程序");//LRU缺页处理；psome = pt.find_pagenum(oppre.pagenum);dosomething(ptpool,psome);System.out.println("调用页面:"+ptpool.next.pagenum);int physicsaddress=64*ptpool.next.mmblocknum+oppre.pageoff;System.out.println("物理地址:"+physicsaddress);System.out.println(ptpool.toString());System.out.println("*******************************");}}}//pt:总页表//ptpool:页池//ptsome:需要调用的页面，但其不在页池中static void dosomething(Pt ptpool,Pt ptsome) {Pt ptsome1 = new Pt(ptsome.pagenum, ptsome.effectivenum, ptpool.next.next.next.next.mmblocknum, ptsome.modify, ptsome.externaladdr);ptsome1.next=ptpool.next;ptpool.next=ptsome1;ptpool.next.next.next.next.next=null;ptsome1.effectivenum=1;}
}
class Pt{int pagenum;//页号int effectivenum;//有效位int mmblocknum;//主存块号int modify;//修改位int externaladdr;    //外存地址Pt next;public Pt() {this.pagenum = -1;this.effectivenum = -1;this.mmblocknum = -1;this.modify = -1;this.externaladdr = -1;this.next=null;}public Pt(int pagenum, int effectivenum, int mmblocknum, int modify, int externaladdr) {this.pagenum = pagenum;this.effectivenum = effectivenum;this.mmblocknum = mmblocknum;this.modify = modify;this.externaladdr = externaladdr;this.next=null;}//按照页号查找页表或页池public Pt find_pagenum(int L){Pt psome=this;while (psome.next != null) {psome=psome.next;if (psome.pagenum == L) {return psome;}}return new Pt();}@Overridepublic String toString() {Pt ptprint=this;String str="栈中元素:\n";while(ptprint.next!=null){ptprint=ptprint.next;str+="Pt{" +"pagenum=" + ptprint.pagenum +", effectivenum=" + ptprint.effectivenum +", mmblocknum=" + ptprint.mmblocknum +", modify=" + ptprint.modify +", externaladdr=" + ptprint.externaladdr +'}'+"\n";}return str;}//将页池里面的ptsome排序到第一个位置public void send2first(Pt ptsome){Pt ptpost=this;Pt ptpre=this;while (ptpre.next != null && ptpost.next!=null) {ptpre=ptpre.next;if (ptpre.equals(ptsome)) {ptpost.next=ptpre.next;ptpre.next=this.next;break;}ptpost=ptpost.next;}this.next=ptpre;}@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Pt pt = (Pt) o;return pagenum == pt.pagenum;}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(pagenum);}
}
class Operate{String oper;//操作int pagenum;//页号int pageoff;//页内偏移量Operate next;public Operate() {this.oper = "";this.pagenum = -1;this.pageoff = -1;this.next = null;}public Operate(String oper, int pagenum, int pageoff) {this.oper = oper;this.pagenum = pagenum;this.pageoff = pageoff;this.next = null;}
}

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