存储管理实验报告.docx
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存储管理实验报告
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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
12.3-12.10-12.17-12.2412.4-12.11-12.18-12.25
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。
通过本次实验理解内存页面调度页面置换算法是虚拟存储管理实现的关键,几种经典页面置换算法的基OPTLRUFIFO的机制,在模拟实现、、、LFU、NUR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页面置换算法或所选择被淘汰的页面是已调入内存,且在以后永不使用的,OPT因此如何找出这样的页面是该算法是在最长时间内不再被访问的页面。
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,对于不在内存的页面,将其值重置为零,对于位于内存的页面,其值重置因此该值越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,可以选择其作为换出页大表示该页是在最长时间内不再被访问的页面,面。
专业资料
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②FIFO页面置换算法
FIFO总是选择最先进入内存的页面予以淘汰,因此可设置一个先进先出的忙页帧队列,新调入内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是根据页面调入内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,选择处于内存的页面中其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,即内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)顺序检查处于内存中的各个页面,如果其访问位为0,就选择该页换出,专业资料
..
否则替换指针下移继续向下查找。
如果内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,同时将内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;在不同的内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;
具体的实施方法是:
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用户内存容量为4页到32页;
专业资料
..
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方式为:
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]);
按以上方式,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)在不同内存容量下的命中率。
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内存的次数。
代码分析:
1、主函数main.cpp的代码:
#include
#include
#include
专业资料
..
#include
#include
#include
usingnamespacestd;
#defineINVALID-1
constintTOTAL_INSTRUCTION(320);
constintTOTAL_VP(32);
constintCLEAR_PERIOD(50);
#includePage.h
#includePageControl.h
#includeMemory.h
intmain()
{
inti;
CMemorya;
for(i=4;i<=32;i++)
{
专业资料
..
cout<
a.OPT(i);
a.FIFO(i);
a.LRU(i);
cout<<\
;
}
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,//一个周期内访问该页面的次数
m_nTime;//访问时间
};
专业资料
..
#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
{
专业资料
..
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),
专业资料
..
_vOffset(TOTAL_INSTRUCTION)
{
intS,i,nRand;
srand(getpid()*10);
nRand=rand()2767;
S=(float)319*nRand/32767+1;
for(i=0;i { _vMain[i]=S; _vMain[i+1]=_vMain[i]+1; nRand=rand()2767; _vMain[i+2]=(float)_vMain[i]*nRand/32767; _vMain[i+3]=_vMain[i+2]+1; nRand=rand()2767; 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]_x0010_; _vPage[i]%=32; 专业资料 .. } } 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; 专业资料 .. _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++; 无空闲页面*//*if(_pFreepf_head==NULL) { for(j=0;j { if(_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber! =INVALID)// 所有位于内存页面的距离变量赋一足够大的数 dist[j]=32767; else//不在内存的页面该变量则置为0 专业资料 .. dist[j]=0; } d=1; /*对于位于内存且在当前访问页面之后将再次被访问的页面,前页面与之后首次出现该页面时两者之间的距dist重置为当 离*/ for(j=i+1;j { if(_vDiscPages[_vPage[j]].m_nPageFaceNumber! =INVALID&& dist[_vPage[j]]==32767) dist[_vPage[j]]=d; d++; } max=-1; 变量值最大的页面作为换出页面//查找distfor(j=0;j { if(max max=dist[j]; maxpage=j; } 专业资料 .. } _pFreepf_head=&_vMemoryPages[_vDiscPages[maxpage].m_nPa geFaceNumber];//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< <<1-(float)_nDiseffect/320; //printf(OPT: %6.4f,1-(float)diseffect/320); } voidCMemory: : FIFO(constintnTotal_pf) { inti; CPageControl*p; 专业资料 .. 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_nP专业资料 .. ageFaceNumber; 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<<\FIFO: <<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) { 专业资料 .. _nDiseffect++; if(_pFreepf_head==NULL) { nMin=32767; for(j=0;j page //aftertherecycleiMinisthenumberoftimes //usedoftheleastusedpagewhileminjisitssubscribe if(nMin>_vDiscPages[j].m_nTime&&_vDiscPages[j].m_nPageFaceNu mber! =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; } 专业资料 .. _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<<\LRU: <<1-(float)_nDiseffect/320; } #endif 四、结果分析与总结 实验运行结果,如图: 专业资料 .. 总结: 从上述结果可知,随着内存页面数的增加,三种算法的访问命中率逐渐增大。 在内存页面数为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,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 专业资料
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