操作系统实验五存储管理

★观前提示：本篇内容为操作系统实验内容，代码等内容经测试没有问题，但是可能会不符合每个人实验的要求，因此以下内容建议仅做思路参考。

目录

一、实验目的

二、实验内容

三、具体实现

四、实验总结

一、实验目的

掌握虚拟内存的管理机制。
了解虚拟存储技术的特点。
掌握请求分页存储管理的页面置换算法。

二、实验内容

设计一个虚拟存储区和内存工作区，并使用以下置换算法计算访问命中率：先进先出页面置换算法、最近最少使用页面置换算法、最佳淘汰页面置换算法等。

通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。
将指令序列变换为页地址流。
设计一个虚拟存储区和内存工作区，并使用下列各种算法计算，当分配给作业的内存块数从4——32时，访问的命中率各是多少，并进行比较。

①先进先出的算法（FIFO）；
②最近最少使用算法（LRR)；
③最佳淘汰算法（OPT），先淘汰最不常用的页地址；
④最少访问页面算法（LFR）；（选做）
⑤最近最不经常使用算法（NUR）。（选做）
其中①、②和③为必做内容，④和⑤为选做内容。

三、具体实现

1️⃣实验方案的选择
①先进先出的算法（FIFO）；
②最近最少使用算法（LRR)；
③最佳淘汰算法（OPT），先淘汰最不常用的页地址；
④最少访问页面算法（LFR）；
⑤最近最不经常使用算法（NUR）。

本次实验共实现以上五种页面置换算法，查询了书籍和相关资料之后，理解了几个算法的含义、以及它们的特点，
另外在老师所发文件源码的基础上，借助C++语言对以上五种算法进行了实现。详细步骤如下：

①创建test5.cpp文件

②编程如下

#include<iostream>
#include<ctime>
#include<random>using namespace std;#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
//#define NULL 0#define total_instruction 320 //指令数量
#define total_vp 32 //页表数量
#define clear_period 50 //清0周期struct pl_type { /*页表结构*/int pn, pfn, counter, time;
};
pl_type pl[total_vp]; //页表数组struct pfc_type { /*内存表结构*/int pn, pfn;pfc_type* next;
};
pfc_type pfc[total_vp], * freepf_head, * busypf_head, * busypf_tail;int diseffect; // 未命中次数
int a[total_instruction]; // 存储320条指令
int page[total_instruction]; // 每条指令对应的页表号
int offset[total_instruction];int initialize(int);
int FIFO(int);
int LRU(int);
int NUR(int);
int LFU(int);
int OPT(int);int main() {int s;srand(unsigned(time(0)));for (int i = 0; i < total_instruction; i += 4) { /*产生指令队列*/s = rand() % 320;a[i] = s + 1; //顺序执行一条指令a[i + 1] = rand() % (a[i] + 1); //执行前地址指令m'a[i + 2] = a[i + 1] + 1; //顺序执行一条指令a[i + 3] = rand() % (319 - a[i + 2]) + (a[i + 2] + 1); // 执行后地址指令if (a[i] > 319 || a[i + 1] > 319 || a[i + 2] > 319 || a[i + 3] > 319) {i -= 4;}}for (int i = 0; i < total_instruction; i++) { /*将指令序列变换成页表地址流*/page[i] = a[i] / 10;offset[i] = a[i] % 10;}for (int i = 4; i <= 32; i++) { /*用户内存工作区从4个页面到32个页面*/printf("---%2d page frames---\n", i);FIFO(i);LRU(i);NUR(i);LFU(i);OPT(i);}return 0;
}int initialize(int total_pf) { /*初始化相关数据结构*/diseffect = 0;// 初始化页表for (int i = 0; i < total_vp; i++) {pl[i].pn = i;pl[i].pfn = INVALID; // 初始，该页不在内存中pl[i].counter = 0; // 访问次数或作为引用位pl[i].time = -1; // 时间}// 初始内存表,建立pfc[i-1]和pfc[i]之间的链接for (int i = 0; i < total_pf - 1; i++) {pfc[i].next = &pfc[i + 1];pfc[i].pfn = i;}pfc[total_pf - 1].next = NULL;pfc[total_pf - 1].pfn = total_pf - 1;freepf_head = &pfc[0]; //内存空页面队列的头指针为pfc[0]return 0;
}int FIFO(int total_pf) { /*先进先出算法*/pfc_type* p;initialize(total_pf); //初始化相关页面控制用数据结构busypf_head = busypf_tail = NULL; //内存页的队列头，队列尾指针接for (int i = 0; i < total_instruction; i++) {if (pl[page[i]].pfn == INVALID) { //页表项不在内存中diseffect += 1; //失效次数if (freepf_head == NULL) { //内存无空闲页面p = busypf_head->next;pl[busypf_head->pn].pfn = INVALID;freepf_head = busypf_head; //释放忙页面队列的第一个页面freepf_head->next = NULL;busypf_head = p;}// 按FIFO方式调新页面入内存页面p = freepf_head->next; // 先保存内存表中当前位置的下一位置freepf_head->next = NULL;freepf_head->pn = page[i]; // 页表号pl[page[i]].pfn = freepf_head->pfn; // 内存块号if (busypf_tail == NULL) {// busypf_head指向最老的，busypf_tail指向最新的busypf_head = busypf_tail = freepf_head;}else {busypf_tail->next = freepf_head; //free页面减少一个busypf_tail = freepf_head;}freepf_head = p;}}printf("FIFO:%6.4f\n", 1 - diseffect / 320.0);return 0;
}int LRU(int total_pf) { /*最近最久未使用算法（使用时钟计数器）*/int min, minj, present_time;initialize(total_pf);present_time = 0;for (int i = 0; i < total_instruction; i++) {if (pl[page[i]].pfn == INVALID) { //页面失效，不在内存中diseffect++;if (freepf_head == NULL) { //内存无空闲页面min = 32767;for (int j = 0; j < total_vp; j++) { //找出内存块中time的最小值if (min > pl[j].time && pl[j].pfn != INVALID) // 查询页表{min = pl[j].time;minj = j; // 记下内存块号}}freepf_head = &pfc[pl[minj].pfn]; //腾出一个单元（对应的内存块）pl[minj].pfn = INVALID;pl[minj].time = -1;freepf_head->next = NULL;}pl[page[i]].pfn = freepf_head->pfn; //有空闲页面,改为有效（内存块号）pl[page[i]].time = present_time;freepf_head = freepf_head->next; //减少一个free 页面}else {pl[page[i]].time = present_time; //命中则设置时间}present_time++;}printf("LRU:%6.4f\n", 1 - diseffect / 320.0);return 0;
}int NUR(int total_pf) { /*最近未使用算法（每执行50条指令引用位清零一次）*/int dp, cont_flag, old_dp;initialize(total_pf);dp = 0;for (int i = 0; i < total_instruction; i++) {if (pl[page[i]].pfn == INVALID) { //页面失效，不在内存中diseffect++;if (freepf_head == NULL) { //无空闲页面cont_flag = TRUE;old_dp = dp;while (cont_flag) {// 查页表（对应引用位0，在内存中）if (pl[dp].counter == 0 && pl[dp].pfn != INVALID) {cont_flag = FALSE;}else {dp++;if (dp == total_vp) {dp = 0;}if (dp == old_dp) {// 第2轮扫描结束，失败（引用位全部置为0）for (int j = 0; j < total_vp; j++) {pl[j].counter = 0;}}}}freepf_head = &pfc[pl[dp].pfn]; //腾出一个单元（对应的内存块）pl[dp].pfn = INVALID;freepf_head->next = NULL;}pl[page[i]].pfn = freepf_head->pfn;freepf_head = freepf_head->next;}else {pl[page[i]].counter = 1; // 在内存中，“引用位”置为1}// 每执行50条指令，引用位清零一次if (i % clear_period == 0) {for (int j = 0; j < total_vp; j++) {pl[j].counter = 0;}}}printf("NUR:%6.4f\n", 1 - diseffect / 320.0);return 0;
}int OPT(int total_pf) { /*最佳置换算法*/int max, maxpage, d, dist[total_vp];initialize(total_pf);for (int i = 0; i < total_instruction; i++) {if (pl[page[i]].pfn == INVALID) { //页面失效，不在内存中diseffect++;if (freepf_head == NULL) { //无空闲页面for (int j = 0; j < total_vp; j++) {if (pl[j].pfn != INVALID) {dist[j] = 32767; /* 最大"距离" */}else {dist[j] = 0;}}d = 1;for (int j = i + 1; j < total_instruction; j++) {if (pl[page[j]].pfn != INVALID && dist[page[j]] == 32767) {dist[page[j]] = d;}d++;}max = -1;for (int j = 0; j < total_vp; j++) {if (max < dist[j]) {max = dist[j];maxpage = j;}}freepf_head = &pfc[pl[maxpage].pfn];freepf_head->next = NULL;pl[maxpage].pfn = INVALID;}pl[page[i]].pfn = freepf_head->pfn;freepf_head = freepf_head->next;}}printf("OPT:%6.4f\n", 1 - diseffect / 320.0);return 0;
}int LFU(int total_pf) { /*最不经常使用置换法*/int i, j, min, minpage;initialize(total_pf);for (i = 0; i < total_instruction; i++) {if (pl[page[i]].pfn == INVALID) { //页面失效，不在内存中diseffect++;if (freepf_head == NULL) { //无空闲页面min = 32767;for (j = 0; j < total_vp; j++) {if (min > pl[j].counter && pl[j].pfn != INVALID) {min = pl[j].counter;minpage = j;}//pl[j].counter = 0;//pl[j].counter >>= 1;}freepf_head = &pfc[pl[minpage].pfn];pl[minpage].pfn = INVALID;freepf_head->next = NULL;}pl[page[i]].pfn = freepf_head->pfn; //有空闲页面,改为有效pl[page[i]].counter++;freepf_head = freepf_head->next; //减少一个free页面}else {pl[page[i]].counter++; // 软件计数器（被访问次数）}// 定期右移if (i % 15 == 0) {for (int j = 0; j < total_vp; j++) {pl[j].counter >>= 1;}}}printf("LFU:%6.4f\n", 1 - diseffect / 320.0);return 0;
}

③编程完毕之后，借助"wq"进行保存并退出

④对test5.cpp进行编译

⑤编译完成后，对实验结果进行输出

2️⃣实验分析

在内存页面数较少（4 ~ 5页）时，五种算法的命中率差别不大，都是30%左右。在内存页面为7 ~ 18个页面之间时，5种算法的访内命中率大致在35% ~ 60%之间变化。但是，FIFO算法与OPT算法之间的差别一般在6 ~ 10个百分点左右。在内存页面为25~32个页面时，由于用户进程的所有指令基本上都已装入内存，使命中率增加，从而算法之间的差别不大。比较上述5种算法，以OPT算法的命中率最高，NUR算法次之，再就是LFU算法和LRU算法，其次是FIFO算法。就本问题，在15页之前，FIFO的命中率比LRU的高。

四、实验总结

① 掌握了虚拟内存的管理机制。
②了解虚拟存储技术的特点，可以大大提高存储系统整体访问带宽，为存储资源管理提供了更好的灵活性。
③ 掌握了请求分页存储管理的页面置换算法， FIFO、LRR、OPT等等

2022.9.21记录：Code_流苏(CSDN)
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★以上实验内容仅供参考。