存储管理实验报告.docx
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存储管理实验报告
综合性实验报告
专业:
网络工程年级:
12级班级:
网络工程2014—2015学年第一学期
课程名称
计算机操作系统
指导教师
实验地点
过街楼
实验时间
12.3-12.10-12.17-12.24
12.4-12.11-12.18-12.25
项目名称
存储管理
实验类型
综合性
一、实验目的
通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计,了解虚拟存储技术的特点,掌握请求页式管理的页面置换算法。
页面置换算法是虚拟存储管理实现的关键,通过本次实验理解存页面调度的机制,在模拟实现FIFO、LRU、OPT、LFU、NUR几种经典页面置换算法的基础上,比较各种置换算法的效率及优缺点,从而了解虚拟存储实现的过程。
二、总体设计
1、编写函数计算并输出下述各种算法的命中率
1OPT页面置换算法
OPT所选择被淘汰的页面是已调入存,且在以后永不使用的,或是在最长时间不再被访问的页面。
因此如找出这样的页面是该算法的关键。
可为每个页面设置一个步长变量,其初值为一足够大的数,对于不在存的页面,将其值重置为零,对于位于存的页面,其值重置为当前访问页面与之后首次出现该页面时两者之间的距离,因此该值越大表示该页是在最长时间不再被访问的页面,可以选择其作为换出页面。
2FIFO页面置换算法
FIFO总是选择最先进入存的页面予以淘汰,因此可设置一个先进先出的忙页帧队列,新调入存的页面挂在该队列的尾部,而当无空闲页帧时,可从该队列首部取下一个页帧作为空闲页帧,进而调入所需页面。
3LRU页面置换算法
LRU是根据页面调入存后的使用情况进行决策的,它利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似,选择最近最久未使用的页面予以淘汰。
该算法主要借助于页面结构中的访问时间time来实现,time记录了一个页面上次的访问时间,因此,当须淘汰一个页面时,选择处于存的页面中其time值最小的页面,即最近最久未使用的页面予以淘汰。
4LFU页面置换算法
LFU要求为每个页面配置一个计数器(即页面结构中的counter),一旦某页被访问,则将其计数器的值加1,在需要选择一页置换时,则将选择其计数器值最小的页面,即存中访问次数最少的页面进行淘汰。
5NUR页面置换算法
NUR要求为每个页面设置一位访问位(该访问位仍可使用页面结构中的counter表示),当某页被访问时,其访问位counter置为1。
需要进行页面置换时,置换算法从替换指针开始(初始时指向第一个页面)顺序检查处于存中的各个页面,如果其访问位为0,就选择该页换出,否则替换指针下移继续向下查找。
如果存中的所有页面扫描完毕未找到访问位为0的页面,则将替换指针重新指向第一个页面,同时将存中所有页面的访问位置0,当开始下一轮扫描时,便一定能找到counter为0的页面。
2、在主函数中生成要求的指令序列,并将其转换成页地址流;在不同的存容量下调用上述函数使其计算并输出相应的命中率。
三、实验步骤(包括主要步骤、代码分析等)
主要步骤:
、通过随机数产生一个指令序列,共320条指令。
其地址按下述原则生成:
①50%的指令是顺序执行的;
②25%的指令是均匀分布在前地址部分;
③25%的指令是均匀分布在后地址部分;
具体的实施法是:
A.在[0,319]的指令地址之间随机选区一起点M;
B.顺序执行一条指令,即执行地址为M+1的指令;
C.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’;
D.顺序执行一条指令,其地址为M’+1;
E.在后地址[M’+2,319]中随机选取一条指令并执行;
F.重复A—E,直到执行320次指令。
2、指令序列变换成页地址流,设:
①页面大小为1K;
②用户存容量为4页到32页;
③用户虚存容量为32K。
在用户虚存中,按每页存放10条指令排列虚存地址,即320条指令在虚存中的存放式为:
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]);
按以上式,用户指令可组成32页。
3、计算并输出下述各种算法(可任选两个)在不同存容量下的命中率。
A.FIFO先进先出置换算法;
B.LRU最近最久未使用置换算法;
C.OPT最佳置换算法:
先淘汰最不常用的页地址;
D.NUR最近未使用置换算法;
E.LFU最少使用置换算法。
命中率=1-页面失效次数/页地址流长度
在本实验中,页地址流长度为320,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存的次数。
代码分析:
1、主函数main.cpp的代码:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
usingnamespacestd;
#defineINVALID-1
constintTOTAL_INSTRUCTION(320);
constintTOTAL_VP(32);
constintCLEAR_PERIOD(50);
#include"Page.h"
#include"PageControl.h"
#include"Memory.h"
intmain()
{
inti;
CMemorya;
for(i=4;i<=32;i++)
{
cout<
a.OPT(i);
a.FIFO(i);
a.LRU(i);
cout<<"\n";
}
return0;
}
2、主函数中用到的头文件”Page.h”,”PageControl.h”,”Memory.h”的代码:
Page.h:
#ifndef_PAGE_H
#define_PAGE_H
classCPage//页面结构
{
public:
intm_nPageNumber,//页面号
m_nPageFaceNumber,//页帧号
m_nCounter,//一个期访问该页面的次数
m_nTime;//访问时间
};
#endif
PageControl.h:
#ifndef_PAGECONTROL_H
#define_PAGECONTROL_H
classCPageControl//页帧控制结构
{
public:
intm_nPageNumber,m_nPageFaceNumber;
classCPageControl*m_pNext;
};
#endif
Memory.h:
#ifndef_MEMORY_H
#define_MEMORY_H
classCMemory
{
public:
CMemory();
voidinitialize(constintnTotal_pf);
voidOPT(constintnTotal_pf);
voidFIFO(constintnTotal_pf);
voidLRU(constintnTotal_pf);
private:
vector
vector
CPageControl*_pFreepf_head,*_pBusypf_head,*_pBusypf_tail;
vector
int_nDiseffect;
};
CMemory:
:
CMemory():
_vDiscPages(TOTAL_VP),
_vMemoryPages(TOTAL_VP),
_vMain(TOTAL_INSTRUCTION),
_vPage(TOTAL_INSTRUCTION),
_vOffset(TOTAL_INSTRUCTION)
{
intS,i,nRand;
srand(getpid()*10);
nRand=rand()%32767;
S=(float)319*nRand/32767+1;
for(i=0;i { _vMain[i]=S; _vMain[i+1]=_vMain[i]+1; nRand=rand()%32767; _vMain[i+2]=(float)_vMain[i]*nRand/32767; _vMain[i+3]=_vMain[i+2]+1; nRand=rand()%32767; S=(float)nRand*(318-_vMain[i+2])/32767+_vMain[i+2]+2; } for(i=0;i { _vPage[i]=_vMain[i]/10; _vOffset[i]=_vMain[i]%10; _vPage[i]%=32; } } voidCMemory: : initialize(constintnTotal_pf) { intix; _nDiseffect=0; for(ix=0;ix<_vDiscPages.size();ix++) { _vDiscPages[ix].m_nPageNumber=ix; _vDiscPages[ix].m_nPageFaceNumber=INVALID; _vDiscPages[ix].m_nCounter=0; _vDiscPages[ix].m_nTime=-1; } for(ix=1;ix { _vMemoryPages[ix-1].m_pNext=&_vMemoryPages[ix]; _vMemoryPages[ix-1].m_nPageFaceNumber=ix-1; } _vMemoryPages[nTotal_pf-1].m_pNext=NULL; _vMemoryPages[nTotal_pf-1].m_nPageFaceNumber=nTotal_pf-1; _pFreepf_head=&_vMemoryPages[0]; } voidCMemory: : OPT(constintnTotal_pf)/*最佳页面置换算法*/ { inti,j,max,maxpage,d,dist[TOTAL_VP]; initialize(nTotal_pf); for(i=0;i { if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID)/*页面失效*/ { _nDiseffect++; if(_pFreepf_head==NULL)/*无空闲页面*/ { for(j=0;j { if(_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber! =INVALID)//所有位于存页面的距离变量赋一足够大的数 dist[j]=32767; else//不在存的页面该变量则置为0 dist[j]=0; } d=1; /*对于位于存且在当前访问页面之后将再次被访问的页面,dist重置为当前页面与之后首次出现该页面时两者之间的距离*/ for(j=i+1;j { if(_vDiscPages[_vPage[j]].m_nPageFaceNumber! =INVALID&&dist[_vPage[j]]==32767) dist[_vPage[j]]=d; d++; } max=-1; //查找dist变量值最大的页面作为换出页面 for(j=0;j { if(max max=dist[j]; maxpage=j; } } _pFreepf_head=&_vMemoryPages[_vDiscPages[maxpage].m_nPageFaceNumber];//腾出一个单元 _pFreepf_head->m_pNext=NULL; _vDiscPages[maxpage].m_nPageFaceNumber=INVALID; } _vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFaceNumber;//有空闲页面,改为有效 _pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext;//减少一个free页面 } } cout<<"OPT: "<<1-(float)_nDiseffect/320; //printf("OPT: %6.4f",1-(float)diseffect/320); } voidCMemory: : FIFO(constintnTotal_pf) { inti; CPageControl*p; initialize(nTotal_pf); _pBusypf_head=_pBusypf_tail=NULL; for(i=0;i { if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID) { _nDiseffect+=1; if(_pFreepf_head==NULL)//无空闲页面 { p=_pBusypf_head->m_pNext; _vDiscPages[_pBusypf_head->m_nPageNumber].m_nPageFaceNumber=INVALID; _pFreepf_head=_pBusypf_head; _pFreepf_head->m_pNext=NULL; _pBusypf_head=p; } p=_pFreepf_head->m_pNext; _pFreepf_head->m_pNext=NULL; _pFreepf_head->m_nPageNumber=_vPage[i]; _vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFaceNumber; if(_pBusypf_tail==NULL) _pBusypf_head=_pBusypf_tail=_pFreepf_head; else { _pBusypf_tail->m_pNext=_pFreepf_head; _pBusypf_tail=_pFreepf_head; } _pFreepf_head=p; } } cout<<"\tFIFO: "<<1-(float)_nDiseffect/320; } voidCMemory: : LRU(constintnTotal_pf) { inti,j,nMin,minj,nPresentTime(0); initialize(nTotal_pf); for(i=0;i { if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID) { _nDiseffect++; if(_pFreepf_head==NULL) { nMin=32767; for(j=0;j //aftertherecycleiMinisthenumberoftimes //usedoftheleastusedpagewhileminjisitssubscribe if(nMin>_vDiscPages[j].m_nTime&&_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber! =INVALID) { nMin=_vDiscPages[j].m_nTime; minj=j; } _pFreepf_head=&_vMemoryPages[_vDiscPages[minj].m_nPageFaceNumber]; _vDiscPages[minj].m_nPageFaceNumber=INVALID; _vDiscPages[minj].m_nTime=-1; _pFreepf_head->m_pNext=NULL; } _vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFaceNumber; _vDiscPages[_vPage[i]].m_nTime=nPresentTime; _pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext; } else _vDiscPages[_vPage[i]].m_nTime=nPresentTime; nPresentTime++; } cout<<"\tLRU: "<<1-(float)_nDiseffect/320; } #endif 四、结果分析与总结 实验运行结果,如图: 总结: 从上述结果可知,随着存页面数的增加,三种算法的访问命中率逐渐增大。 在存页面数为4~25个页面之间时,三种算法的命中率大致在56%至88%之间变化,但是,OPT算法和其他两种算法之间的差别一般在6~12个百分点左右。 在存页面为25~32个页面时,由于用户进程的所有指令基本上都已装入存,从而命中率增加较大,各种算法之间的差别不大。 比较上述三种算法,OPT算法的命中率最高,LRU算法和FIFO算法的命中率则较为接近。 教师签名: 年月日
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