计算机操作系统 银行家页面置换先进先出.docx
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计算机操作系统银行家页面置换先进先出
《计算机操作系统》实验要求
为了顺利完成操作系统课程实验,应做到:
(1)实验前,认真学习教材以及实验要求的相关内容,提前做好实验准备。
(2)实验结束后三天内提交实验报告的电子版和打印版。
实验报告内容应包括:
实验目的、实验内容、设计思路和流程框图,主要程序代码、测试结果以及实验总结。
(实验报告模板见“OS实验模板”)
(3)遵守机房纪律,服从指挥,爱护实验设备。
实验的验收将分为两个部分。
第一部分是上机操作,随机抽查程序运行和即时提问;第二部分是提交书面的实验报告。
要杜绝抄袭现象,一经发现雷同,双方成绩均以0分计算。
实验内容安排:
实验内容与要求
编写程序,模拟某个算法。
实验一和实验二选一,实验三必选
实验一
熟悉进程调度相关内容;根据进程调度算法,选择先来先服务、短进程优先、时间片轮转、高优先权优先调度等算法中的一个,编写算法模拟程序。
实验二
熟悉页面置换相关内容;选择最佳置换算法、先进先出置换算法、LRU置换算法中的一个,编写算法模拟程序。
实验三
熟悉银行家算法,并编写程序进行模拟。
实验一进程调度实验
【开发语言及实现平台或实验环境】
C++/C#
TurboC/MicrosoftVisualStudio6.0/MicrosoftVisualStudio.NET2010
【实验目的】
(1)加深对进程的概念及进程调度算法的理解;
(2)在了解和掌握进程调度算法的基础上,编制进程调度算法通用程序,将调试结果显示在计算机屏幕上,并检测机算和笔算的一致性。
【实验要求】
(1)了解进程调度;
(2)理解利用进程调度算法进行调度的原理;
(3)使用某种编程语言进行算法模拟。
【实验原理】
(注意:
这个仅是个例子,可以参考本例,选择其他算法进行实验)
一、例题:
设计一个有N个进程的进程调度算法。
进程调度算法:
采用最高优先数的调度算法(即把处理机分配给优先数最高的进程)。
每个进程有一个进程控制块(PCB)表示。
进程控制块可以包含如下信息:
进程名、优先数、到达时间、需要运行时间、已用CPU时间、进程状态等等。
进程的优先数及需要的运行时间可以事先人为的指定(也可以由随机数产生)。
进程的到达时间为进程的输入的时间。
进程的运行时间以时间片为单位进行计算。
每个进程的状态可以是就绪W(Wait)、运行R(Run)、或完成F(Finish)三种状态之一。
就绪进程获得CPU后都只能运行一个时间片。
用已占用CPU时间加1表示。
如果运行一个时间片后,进程的已占用CPU时间已达到所需要的运行时间,则撤销该进程,如果运行一个时间片后,进程的已占用CPU时间还未达到所需要的运行时间,也就是进程还需要继续运行,此时应该将进程的优先数减1(即降低一级),然后把它插入就绪队列等待CPU。
每进行一次调度程序都打印一次运行进程、就绪队列、以及各个进程的PCB,以便进行检查。
重复以上过程,直到所要的进程都完成为止。
分析:
使用固定队列与静动态优先级结合每个优先级为0~0xFF,并且以小的数字为高优先级,大的数字为低优先级,每次皆使用循环得到最高优先级的进程并执行,然后将其动态优先级设置为最低,并将其他进程动态优先级提高,以使得每个进程都有机会运行。
进程的优先级与运行时间由随机数产生。
二、代码试例
#include
#include
#include
/*常量和状态定义*/
#definePRO_NUM0x05
#defineMAX_TIME0xFF
/*状态宏*/
#defineWAIT0x01
#defineRUN0x02
#defineFINISH0x03
#defineID_ERROR0x10
#defineMIN_PRIOR0xFF
#defineMAX_PRIOR0x00
typedefunsignedintUint32;
/*进程PCB*/
structPCB_Info
{
Uint32s_id;
Uint32s_static_prior;
Uint32s_dynamic_prior;
Uint32s_start_time;
Uint32s_need_time;
Uint32s_used_time;
Uint32s_state;
};
/*进程队列*/
PCB_Infog_queue[5];
Uint32g_time;
/*模拟进程执行函数*/
voidSimulator();
/*初始化5个进程函数*/
voidInit_Process();
/*初始化进程队列函数*/
voidInit_Queue();
/*创建进程函数*/
Uint32Create_Process(Uint32pri,Uint32needtime);
/*系统运行函数*/
voidRun_Process();
/*得到最高优先级进程ID函数*/
Uint32Get_PriProcess();
/*进程时间片执行函数*/
voidWork_Process(Uint32id);
/*改变进程状态和优先级函数*/
voidChange_Process(Uint32id);
/*打印进程状态函数*/
voidPrint_State();
/*结束系统函数*/
voidEnd_Process();
/*入口函数*/
intmain(intargc,char*argv[])
{
Simulator();
return0;
}
voidSimulator()
{
Init_Process();
Run_Process();
End_Process();
}
voidInit_Process()
{
inti;
Uint32id;
srand((unsigned)time(NULL));
Init_Queue();
for(i=0;i { /*在这里修改随机数的范围,建议优先级取值为0到4之间,进程工作总时间为1到10之间*/ id=Create_Process(rand()%4,1+rand()%10); if(id! =ID_ERROR) { printf("**********************************\n"); printf("创建进程成功\n"); printf("进程ID号为: %d\n",id); printf("进程的静态优先权为: %d\n",g_queue[id].s_static_prior); printf("进程的动态优先权为: %d\n",g_queue[id].s_dynamic_prior); printf("进程的到达时间为: %d\n",g_queue[id].s_start_time); printf("进程需要时间为: %d\n",g_queue[id].s_need_time); printf("进程已用CPU时间为: %d\n",g_queue[id].s_used_time); printf("进程的状态为: %d\n",g_queue[id].s_state); printf("\n"); } else { printf("创建进程失败\n"); } } } voidInit_Queue() { inti; for(i=0;i { g_queue[i].s_id=i; g_queue[i].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR; g_queue[i].s_need_time=0; g_queue[i].s_start_time=0; g_queue[i].s_static_prior=MIN_PRIOR; g_queue[i].s_used_time=0; g_queue[i].s_state=FINISH; } } Uint32Create_Process(Uint32pri,Uint32needtime) { inti=0; Uint32id=ID_ERROR; for(i=0;i { if(g_queue[i].s_state==FINISH) { id=g_queue[i].s_id; g_queue[i].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR; g_queue[i].s_need_time=needtime; g_queue[i].s_start_time=g_time; g_queue[i].s_state=WAIT; g_queue[i].s_static_prior=pri; g_queue[i].s_used_time=0x0; break; } } returnid; } voidRun_Process() { Uint32id; while((id=Get_PriProcess())! =ID_ERROR) { Work_Process(id); Change_Process(id); } } voidPrint_State() { inti; printf("时间进程ID\t状态已用时间需要时间开始时间静优先级动优先级\n"); for(i=0;i { printf("%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\n",g_time,g_queue[i].s_id,g_queue[i].s_state,g_queue[i].s_used_time,g_queue[i].s_need_time, g_queue[i].s_start_time,g_queue[i].s_static_prior,g_queue[i].s_dynamic_prior); } } Uint32Get_PriProcess() { Uint32id=ID_ERROR; inti,prev_id=ID_ERROR; Uint32prior=MIN_PRIOR*2,temp_prior; for(i=0;i { if(g_queue[i].s_state! =FINISH) { temp_prior=g_queue[i].s_dynamic_prior+g_queue[i].s_static_prior; if(temp_prior<=prior) { id=i; prior=temp_prior; } } } returnid; } voidWork_Process(Uint32id) { ++g_time; g_queue[id].s_state=RUN; ++g_queue[id].s_used_time; Print_State(); } voidChange_Process(Uint32id) { inti; if(g_queue[id].s_need_time==g_queue[id].s_used_time) { g_queue[id].s_state=FINISH; } else { g_queue[id].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR; g_queue[id].s_state=WAIT; } for(i=0;i { if((i! =id)&&(g_queue[i].s_state! =FINISH)) { g_queue[i].s_dynamic_prior>0? --g_queue[i].s_dynamic_prior: g_queue[i].s_dynamic_prior=0; } } } voidEnd_Process() { printf("所有进程结束状态: \n"); Print_State(); printf("所有进程已经结束! \n"); } 实验二请求页式存储管理中常用页面置换算法模拟 【开发语言及实现平台或实验环境】 C++/C# TurboC/MicrosoftVisualStudio6.0/MicrosoftVisualStudio.NET2010 【实验目的】 (1)了解内存分页管理策略 (2)掌握调页策略 (3)掌握一般常用的调度算法 (4)学会各种存储分配算法的实现方法。 (5)了解页面大小和内存实际容量对命中率的影响。 【实验要求】 (1)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; (2)实现OPT算法(最优置换算法) 、LRU算法(LeastRecently) 、FIFO算法(FirstINFirstOut)的模拟; (3)使用某种编程语言模拟页面置换算法。 【实验原理】 分页存储管理将一个进程的逻辑地址空间分成若干大小相等的片,称为页面或页。 在进程运行过程中,若其所要访问的页面不在内存而需把它们调入内存,但内存已无空闲空间时,为了保证该进程能正常运行,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。 但应将哪个页面调出,须根据算法来确定。 通常,把选择换出页面的算法称为页面置换算法。 一个好的页面置换算法,应具有较低的页面更换频率。 从理论上讲,应将那些以后不再会访问的页面换出,或将那些在较长时间内不会再访问的页面调出。 一、最佳置换算法OPT(Optimal) 它是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。 其所选择的被淘汰页面,将是以后永不使用的或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。 采用最佳置换算法,通常可保证获得最低的缺页率。 但由于人目前还无法预知一个进程在内存的若干个页面中,哪一个页面是未来最长时间内不再被访问的,因而该算法是无法实现的,但是可以利用此算法来评价其它算法。 如果编写程序模拟该算法,可以提前设定页面访问次序,获知某个页面是否在未来不再被访问。 二、先进先出(FIFO)页面置换算法 这是最早出现的置换算法。 该算法总是淘汰最先进入内存的页面,即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。 该算法实现简单只需把一个进程已调入内存的页面,按先后次序链接成一个队列,并设置一个指针,称为替换指针,使它总是指向最老的页面。 三、最近最久未使用置换算法 1、LRU(LeastRecentlyUsed)置换算法的描述 FIFO置换算法性能之所以较差,是因为它所依据的条件是各个页面调入内存的时间,而页面调入的先后并不能反映页面的使用情况。 最近最久未使用(LRU)置换算法,是根据页面调入内存后的使用情况进行决策的。 由于无法预测各页面将来的使用情况,只能利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似,因此,LRU置换算法是选择最近最久未使用的页面予以淘汰。 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t,,当须淘汰一个页面时,选择现有页面中其t值最大的,即最近最久未使用的页面予以淘汰。 2、LRU置换算法的硬件支持 LRU置换算法虽然是一种比较好的算法,但要求系统有较多的支持硬件。 为了了解一个进程在内存中的各个页面各有多少时间未被进程访问,以及如何快速地知道哪一页是最近最久未使用的页面,须有以下两类硬件之一的支持: 1)寄存器 为了记录某个进程在内存中各页的使用情况,须为每个在内存中的页面配置一个移位寄存器,可表示为 R=Rn-1Rn-2Rn-3……R2R1R0当进程访问某物理块时,要将相应寄存器的Rn-1位置成1。 此时,定时信号将每隔一定时间(例如100ms)将寄存器右移一位。 如果我们把n位寄存器的数看作是一个整数,那么具有最小数值的寄存器所对应的页面,就是最近最久未使用的页面。 下图显示了某进程在内存中具有8个页面,为每个内存页面配置一个8位寄存器时的LRU访问情况。 这里,把8个内存页面的序号分别定为1--8。 由图可以看出,第7个内存页面的R值最小,当发生缺页时首先将它置换出去。 R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 2 1 0 1 0 1 1 0 0 3 0 0 0 0 0 1 0 0 4 0 1 1 0 1 0 1 1 5 1 1 0 1 0 1 1 0 6 0 0 1 0 1 0 1 1 7 0 0 0 0 0 1 1 1 8 0 1 1 0 1 1 0 1 2)栈 可利用一个特殊的栈来保存当前使用的各个页面的页面号。 每当进程访问某页面时,便将页面的页面号从栈中移出,将它压入栈顶。 因此,栈顶始终是最新被访问页面的编号,而栈底则是最近最久未使用的页面的页面号。 【实验步骤】 参考实验步骤如下: (注意: 这个仅是个例子,可以参考本例,选择其他算法进行实验) (1)现定义数据结构和全局变量。 #include #include #defineM4 #defineN17 #defineMyprintfprintf("|---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---|\n") /*表格控制*/ typedefstructpage {intnum;/*记录页面号*/ inttime;/*记录调入内存时间*/ }Page;/*页面逻辑结构,结构为方便算法实现设计*/ Pageb[M];/*内存单元数*/ intc[M][N];/*暂保存内存当前的状态: 缓冲区*/ intqueue[100];/*记录调入队列*/ intK;/*调入队列计数变量*/ (2)初始化内存单元、缓冲区 voidInit(Page*b,intc[M][N]) {inti,j; for(i=0;i {b[i].num=-1; b[i].time=N-i-1;} for(i=0;i for(j=0;j c[i][j]=-1; } (3)取得在内存中停留最久的页面,默认状态下为最早调入的页面*/ intGetMax(Page*b) {inti; intmax=-1; inttag=0; for(i=0;i {if(b[i].time>max) {max=b[i].time; tag=i;}} returntag; } (4)判断页面是否已在内存中*/ intEquation(intfold,Page*b) {inti; for(i=0;i if(fold==b[i].num)returni; return-1; } (5)LRU算法 voidLru(intfold,Page*b) {inti; intval; val=Equation(fold,b); if(val>=0) {b[val].time=0; for(i=0;i if(i! =val)b[i].time++; } else {queue[++K]=fold;/*记录调入页面*/ val=GetMax(b); b[val].num=fold; b[val].time=0; for(i=0;i if(i! =val)b[i].time++; }} (6)主程序 voidmain() { inta[N]={1,0,1,0,2,4,1,0,0,8,7,5,4,3,2,3,4}; inti,j; start: K=-1; Init(b,c); for(i=0;i {Lru(a[i],b); c[0][i]=a[i]; /*记录当前的内存单元中的页面*/ for(j=0;j c[j][i]=b[j].num; } /*结果输出*/ printf("内存状态为: \n"); Myprintf; for(j=0;j printf("|%2d",a[j]); printf("|\n"); Myprintf; for(i=0;i {for(j=0;j if(c[i][j]==-1)printf("|%2c",32); else printf("|%2d",c[i][j]); printf("|\n"); } Myprintf; printf("\n调入队列为: "); for(i=0;i printf("%3d",queue[i]); printf("\n缺页次数为: %6d\n缺页率: %16.6f",K+1,(float)(K+1)/N); printf("\nAreyoucontinuing! \ty? "); if(getche()=='y')gotostart; } 可以参照以上代码写出FIFO的算法。 实验三银行家算法模拟 【开发语言及实现平台或实验环境】 C++/C# TurboC/MicrosoftVisualStudio6.0/MicrosoftVisualStudio.NET2010 【实验目的】 (1)理解利用银行家算法避免死锁的问题; (2)在了解和掌握银行家算法的基础上,编制银行家算法通用程序,将调试结果显示在计算机屏幕上,并检测机算和笔算的一致性。 (3)理解和掌握安全序列、安全性算法 【实验要求】 (1)了解和理解死锁; (2)理解利用银行家算法避免死锁的原理; (3)使用某种编程语言模拟该算法。 【实验原理】 一、安全状态 指系统能按照某种顺序如
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