页面置换算法操作系统实验报告.docx
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页面置换算法操作系统实验报告.docx
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页面置换算法操作系统实验报告
页面置换算法实现
一、实验目的
(1)了解内存分页管理及调页策略
(2)掌握一般常用的调度算法
(3)学会各种存储分配算法的实现方法。
(4)了解页面大小和内存实际容量对命中率的影响。
(5)通过页面访问序列随机发生器实现对上述算法的测试及性能比较
二、实验内容
采用页式分配存储方案,通过分别计算不同算法的命中率来比较算法的优劣,同时也考虑页面大小及内存实际容量对命中率的影响,设计一个虚拟存储区和内存工作区,并使用下述算法来模拟实现页面的置换:
1.先进先出的算法(FIFO)(是最简单的页面置换算法)
2.最近最久未使用算法(LRU)
3.最佳置换算法(OPT)(理想置换算法)
实验分析
在进程运行过程中,若其所访问的页面不存在内存而需要把它们调入内存,
但内存已无空闲时,为了保证该进程能够正常运行,系统必须从内存中调出一页
程序或数据送磁盘的对换区中。
但应调出哪个页面,需根据一定的算法来确定,
算法的好坏,直接影响到系统的性能。
一个好的页面置换算法,应该有较低的页面更换频率。
2.1先进先出(FIFO)页面置换算法
当需要访问一个新的页面时,首先查看物理块中是否就有这个页面,若要查
看的页面物理块中就有,则直接显示,不需要替换页面;如果要查看的页面物理
块中没有,就需要寻找空闲物理块放入,若存在有空闲物理块,则将页面放入;
若没有空闲物理块,则替换页面。
并将物理块中所有页面timer++,是最简单的页面置换算法。
这种算法的基本思想是:
当需要淘汰一个页面时,总是选择驻留主存时间最长的页面进行淘汰,即先进入主存的页面先淘汰。
其理由是:
最早调入主存的页面不再被使用的可能性最大。
2.2最近久未使用(LRU)置换算法的思路
最近久未使用置换算法的替换规则,是根据页面调入内存后的使用情况来进
行决策的。
该算法赋予每个页面一个访问字段,用来记录一个页面自上次被访问
以来所经历的时间,当需淘汰一个页面的时候选择现有页面中其时间值最大的进
行淘汰。
2.3最佳(OPT)置换算法的思路
其所选择的被淘汰的页面,是以后不使用的,或者是在未来时间内不再被访
问的页面,采用最佳算法,从主存中移出永远不再需要的页面;如无这样的页面存在,则选择最长时间不需要访问的页面。
于所选择的被淘汰页面将是以后永不使用的,或者是在最长时间内不再被访问的页面,这样可以保证获得最低的缺页率。
三、实验流程
3.1系统功能图
图3-1系统功能图
3.2算法流程图
1)先进先出(FIFO)页面置换算法流程图
图3-2先进先出页面置换算法流程图
2)最近久未使用(LRU)置换算法
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。
图3-3最近久未使用置换算法流程图
3)最佳(OPT)置换算法
佳置换算法可以用来评价其他算法。
假定系统为某进程分配了三个物理块,并考虑有以下页面号引用串:
7,0,1,2,0,3,0, 4, 2, 3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1
进程运行时,先将7,0,1三个页面依次装入内存。
进程要访问页面2时,产生缺页中断,根据最佳置换算法,选择第18次访问才需调入的页面7予以淘汰。
然后,访问页面0时,因为已在内存中所以不必产生缺页中断。
访问页面3时又会根据最佳置换算法将页面1淘汰……依此类推
图3-4最佳置换算法流程图
四、源程序
#include
#include
#include
#include
#defineL20//页面长度最大为20
intM;//内存块
structPro//定义一个结构体
{
intnum,time;
};
Input(intm,Prop[L])//打印页面走向状态
{
cout<<"请输入页面长度(10~20):
";
do
{
cin>>m;
if(m>20||m<10)
{cout< cout<<"页面长度必须在10~20之间"< cout<<"请重新输入L: "; } elsebreak; }while (1); inti,j; j=time(NULL);//取时钟时间 srand(j);//以时钟时间j为种子,初始化随机数发生器 cout< cout<<"输出随机数: "< cout< for(i=0;i { p[i].num=rand()%10;//产生0到9之间的随机数放到数组p中 p[i].time=0; cout< } cout< returnm; } voidprint(Pro*page1)//打印当前的页面 { Pro*page=newPro[M]; page=page1; for(inti=0;i cout< cout< } intSearch(inte,Pro*page1)//寻找内存块中与e相同的块号 { Pro*page=newPro[M]; page=page1; for(inti=0;i return-1; } intMax(Pro*page1)//寻找最近最长未使用的页面 { Pro*page=newPro[M]; page=page1; inte=page[0].time,i=0; while(i { if(e i++; } for(i=0;i return-1; } intCount(Pro*page1,inti,intt,Prop[L])//记录当前内存块中页面离下次使用间隔长度 { Pro*page=newPro[M]; page=page1; intcount=0; for(intj=i;j { if(page[t].num==p[j].num)break;//当前页面再次被访问时循环结束 elsecount++;//否则count+1 } returncount;//返回count的值 } intmain() { intc; intm=0,t=0; floatn=0; Prop[L]; m=Input(m,p);//调用input函数,返回m值 cout<<"请输入分配的物理块m(2~6): "; cout< do{ cin>>M; if(M>6||M<2) {cout< cout<<"物理块m必须在2~6之间"< cout<<"请重新输入m: ";} elsebreak; }while (1); Pro*page=newPro[M]; do{ for(inti=0;i {page[i].num=0; page[i].time=m-1-i; } i=0; cout< cout<<"1: FIFO页面置换2: LRU页面置换"< cout<<"3: OPT页面置换4: 退出"< cout<<"请选择页面置换算法: "< cin>>c; if(c==1)//FIFO页面置换 { n=0; cout<<"FIFO算法页面置换情况如下: "< cout< while(i { if(Search(p[i].num,page)>=0)//当前页面在内存中 { cout< cout<<"不缺页"< i++;//i加1 } else//当前页不在内存中 { if(t==M)t=0; else { n++;//缺页次数加1 page[t].num=p[i].num;//把当前页面放入内存中 cout< print(page);//打印当前页面 t++;//下一个内存块 i++;//指向下一个页面 } } } cout< cout<<"缺页次数: "< "< } if(c==2)//LRU页面置换 { n=0; cout<<"LRU算法页面置换情况如下: "< cout< while(i { inta; t=Search(p[i].num,page); if(t>=0)//如果已在内存块中 {page[t].time=0;//把与它相同的内存块的时间置0 for(a=0;a if(a! =t)page[a].time++;//其它的时间加1 cout< cout<<"不缺页"< } else//如果不在内存块中 { n++;//缺页次数加1 t=Max(page);//返回最近最久未使用的块号赋值给t page[t].num=p[i].num;//进行替换 page[t].time=0;//替换后时间置为0 cout< print(page); for(a=0;a if(a! =t)page[a].time++;//其它的时间加1 } i++; } cout< cout<<"缺页次数: "< "< } if(c==3)//OPT页面置换 { n=0; cout<<"OPT算法置换情况如下: "< cout< while(i { if(Search(p[i].num,page)>=0)//如果已在内存块中 { cout< cout<<"不缺页"< i++; } else//如果不在内存块中 { inta=0; for(t=0;t if(page[t].num==0)a++;//记录空的内存块数 if(a! =0)//有空内存 { intq=M; for(t=0;t if(page[t].num==0&&q>t)q=t;//把空内存块中块号最小的找出来 page[q].num=p[i].num; n++; cout< print(page); i++; } else { inttemp=0,s; for(t=0;t if(temp { temp=Count(page,i,t,p); s=t;}//把找到的块号赋给s page[s].num=p[i].num; n++; cout< print(page); i++; } } } cout< cout<<"缺页次数: "< "< } if(c==4)break; }while(c==1||c==2||c==3); return0; } 五、实验结果 5.1程序主界面 运行程序后,将会提示用户输入页面长度,长度在10到20之间。 当用户输入长度(以12为例)后,系统将会显示随机数。 系统提示用户输入分配的物理块,用户输入数据(以3为例)。 程序主界面运行图如图5-1所示。 图5-1程序主界面 5.2先进先出(FIFO)页面置换算法运行结果 选择算法1之后,进入算法1的操作。 系统会显示算法的页面置换情况。 先来先服务算法的运行图如图5-2所示。 图5-2先进先出页面置换算法运行结果图 5.3最近久未使用(LRU)置换算法运行结果 选择算法2之后,进入算法2的操作。 系统会显示算法的页面置换情况。 最近久未使用的运行图如图5-3所示。 图5-3最近久未使用置换算法运行结果图 4)最佳(OPT)置换算法运行结果 选择算法3之后,进入算法3的操作。 系统会显示算法的页面置换情况。 最近久未使用的运行图如图5-4所示。 图5-4最佳置换算法运行结果图 四、思考 1.FIFO算法是否比随机算法优越? 本人对不同的页面总数和物理块数进行了实验(未在报告中标出),从得到的页面置换算法缺页率的许多样例中来看,FIFO算法并不一定每次都优于随机算法,有时因为“随机”的关系,随机算法的缺页率会低于FIFO算法缺页率。 但整体情况来看,FIFO算法在多数情况下替换次数小于Random算法。 2.LRU算法比FIFO算法优越多少? 对于LRU算法和FIFO算法的比较,通过所有实验结果来看,两种算法缺页率比较接近,但是总体来说FIFO算法会稍好一点。 3.LRU算法和Optimal算法有何差距? Optimal算法是将未来最久需要使用的页面进行替换,LRU是将过去最近最久未使用的页面进行替换。 Optimal算法优于其算法本身的特定性质决定了一定能够实现最小的缺页率,但是Optimal算法实际是不可实现的,因此用LRU算法实现对Optimal算法的近似,将最近最久未使用近似为未来最久未使用,但这样的猜测正确率在实验中是不可保证的。 五、总结 在实现最佳置换算法、先进先出置换算法、最近最久未使用置换算法、改进型Clock淘汰算法时通过之前老师的讲解和同学在实验课上的经验分享,能够较好的完成这些算法。 另外通过与同学之间对于算法的讨论更快的了解和实现了算法。 但是在实现改进型Clock淘汰算法时,为了实现在第二轮扫描中,找不到选择A=0且M=1的页面淘汰的情况下可以转入第一轮扫描重新扫描的功能,使用了“goto”语句,不过goto语句一般情况下不建议使用,但是目前还没想到替代的方法,应该在之后继续改进最好可以取消“goto”语句的使用。 另外,实现改进Clock算法时,深刻体会到虽然性能较于简单Clock算法有所提升,但是实现过程却变得十分复杂而且需要硬件的支持,因此在这两种算法中选择使用时,一定要仔细斟酌。 在本次试验中,虽然十分明确最佳置换算法由于算法特性决定了其名副其实确实是“最佳置换”的算法,但是也因为其算法特性导致实际中不可实现,不过我们可以使用最近最久未使用算法将最近最久未使用近似为未来最久未使用,这种虽然实际无法实现最佳算法但是可以通过修正来近似“最佳”的思想可以值得学习。 本次试验中,在思考如何实现虚拟页式存储管理时遇到了问题,突然不知从何处做起比较好,后来在网页上学习页面置换算法的相关内容时,发现了一个比较好的能模拟实际进程与页面的关系来给出随机序列的方法,因此将其借用,实验结束后将自己继续思考自己如何产生较好的随机序列的方法进行替换。
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