操作系统请求页式存储管理实验报告.docx

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操作系统请求页式存储管理实验报告

操作系统-请求页式存储管理实验报告

操作系统

实验三

存储管理实验

班级:

学号:

姓名:

1.实验目的................................................................................................................................................2

2.实验内容................................................................................................................................................2

（1）通过随机数产生一个指令序列，共320条指令.................................................................................2

（2）将指令序列变换成为页地址流.............................................................................................................2（3）计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率.....................................................................2

3.随机数产生办法....................................................................................................................................3

环境说明.......................................................................................................................................................3

4.程序设计说明........................................................................................................................................3

4.1.全局变量........................................................................................................................................3

4.2.随机指令序列的产生....................................................................................................................4

4.3.FIFO算法.......................................................................................................................................4

4.4.LRU算法.........................................................................................................................................4

4.5.OPT算法.........................................................................................................................................5

5.编程实现（源程序）:

..........................................................................................................................56.运行结果及分析..................................................................................................................................11

6.1.运行（以某两次运行结果为例，列表如下:

）........................................................................11

6.2.Belady’sanomaly..................................................................................................................11

1

1.实验目的

存储管理的主要功能之一是合理地分配空间。

请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。

本实验的目的是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

存储管理的页面置换算法。

2.实验内容

（1）通过随机数产生一个指令序列，共320条指令指令的地址按下述原则生成:

a）50%的指令是顺序执行的;

b）25%的指令是均匀分布在前地址部分;

c）25%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取一起点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）重复上述步骤a）~f），直到执行320次指令。

（2）将指令序列变换成为页地址流

设:

a）页面大小为1K;

b）用户内存容量为4页到32页;

c）用户虚存容量为32K。

在用户虚存中，按每K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，用户指令可以组成32页。

（3）计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率

a）先进先出的算法（FIFO）;

b）最近最少使用算法（LRU）;

c）最佳淘汰算法（OPT）;

2

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。

3.随机数产生办法

关于随机数产生办法，可以采用操作系统提供的函数，如Linux或UNIX系统提供函数srand（）和rand（），分

别进行初始化和产生随机数。

例如:

srand（）;

语句可以初始化一个随机数;

a[0]=10*rand（）/32767*319+1;

a[1]=10*rand（）/32767*a[0];

…

语句可以用来产生a[0]与a[1]中的随机数。

环境说明

此实验采用的是Win7下Code:

:

blocks10.05编译器编程。

此word实验文档中采用notepad++的语法高亮。

4.程序设计说明

4.1.全局变量

constintmaxn=320;//序列个数

constintmax=maxn+20;//数组大小

constintmaxp=max/10;//最大页数

intinst[max];//指令序列

intpage[max];//页地址流

intsize;//内存能容纳的页数

boolin[maxp];//该页是否在内存里，提高效率intpin[maxp];//现在在内存里的页

其中in[]数组是为了方便直接判断该页是否在内存里，而不用遍历内存里所有页来判断。

fault_n用来记录缺页次数。

3

4.2.随机指令序列的产生

按照实验要求的写了，但是由于没有考虑细节，开始时出了点问题。

（1）当m=319时，我们顺序执行m+1会产生第32页的页地址，从而使页地址没能按要求限制在[0,31]

之间。

解决方法:

采用循环模加来避免超出范围。

（2）但是这样之后有可能出现模0的问题。

所以我索性将等于0的模数都赋值为160.

最后的程序如下。

voidproduce_inst（）

{

intm,n;

intnum=0;

while（num

{

m=rand（）%maxn;

inst[num++]=（m+1）%maxn;

if（num==maxn）break;

m=（m+2）%maxn;

if（m==0）m=160;

n=rand（）%m;

inst[num++]=（n+1）%maxn;

if（num==maxn）break;

n=（n+2）%maxn;

m=maxn-n;

if（m==0）m=160;

m=rand（）%m+n;

inst[num++]=m;

}

}

4.3.FIFO算法

定义变量ptr。

一开始先预调页填满内存。

在这一部分，ptr指向下一个要存放的位置。

之后继续执行剩下的指令。

此时，ptr表示队列最前面的位置，即最先进来的位置，也就是下一个要被替换

的位置。

ptr用循环加，即模拟循环队列。

4.4.LRU算法

定义数组ltu[],即last_time_use来记录该页最近被使用的时间。

定义变量ti模拟时间的变化，每执行一次加一。

4

这个算法，我没有预调页，而是直接执行所有指令。

若当前需要的页没在内存里，就寻找最近最少使用的页，也就是ltu[]最小的页，即最近一次使用时间离现在最久的页，然后替换掉它。

或者在内存还未满时，直接写入，这个我以初始化内存里所有页为-1来实现。

若已经在内存里了，则只遍历内存内的页，把当前页的最近使用时间改一下即可。

4.5.OPT算法

定义数组ntu[],即next_time_use来记录下一次被使用的时间，即将来最快使用时间。

初始化为-1.

开始时预调页填满内存里的页。

同样利用变量ptr来表示下一个要存放的位置从而控制预调页的过程。

接着初始化ntu数组为-1。

然后求出每一页下一次被使用的指令号，以此代替使用时间。

如果所有剩下的序列都没有用该页时，则还是-1.这种值为-1的页显然是最佳替换对象。

然后执行所有剩下的指令。

当该页不在内存里时，遍历ntu数组，遇到-1的直接使用该页，没有则用ntu[]值最大的，也就是最晚使用的。

无论该页在不在内存里，因为这一次已经被使用了，所以都应该更新这个页的ntu[]，只需往前看要执行的页流，记录下第一个遇到的该页即可。

如果没有找到同样添-1即可。

5.编程实现（源程序）:

#include

#include

#include

#include

usingnamespacestd;

constintmaxn=320;//序列个数

constintmax=maxn+20;//数组大小

constintmaxp=max/10;//最大页数

intinst[max];//指令序列

intpage[max];//页地址流

intsize;//内存能容纳的页数

boolin[maxp];//该页是否在内存里，提高效率

intpin[maxp];//现在在内存里的页

voidwelcome（）

{

printf（"******************************************\n"）;

printf（"**ByschneeOn2011-12-06**\n"）;

printf（"**班级:

09211311班内序号:

30**\n"）;

printf（"******************************************\n\n"）;

}

5

voidinput_hint（）

{

printf（"\n1--createnewinstructionsequence2--setmemorypagenumber（4to

32）\n"）;

printf（"3--solvebyFIFOalgorithm4--solvebyLRUalgorithm\n"）;

printf（"5--solvebyOPTalgorithm0--exit\n"）;

printf（"*********PleaseinputYourchoice:

"）;

}

/*通过随机数产生一个指令序列，共320条指令*/voidproduce_inst（）

{

intm,n;

intnum=0;

while（num

{

m=rand（）%maxn;

inst[num++]=（m+1）%maxn;

if（num==maxn）break;

m=（m+2）%maxn;

if（m==0）m=160;

n=rand（）%m;

inst[num++]=（n+1）%maxn;

if（num==maxn）break;

n=（n+2）%maxn;

m=maxn-n;

if（m==0）m=160;

m=rand（）%m+n;

inst[num++]=m;

}

}

/*将指令序列变换成为页地址流*/voidturn_page_address（）

{

for（inti=0;i

page[i]=inst[i]/10;}

voidFIFO_solve（）

{

memset（in,false,sizeof（in））;

intfault_n=0;//缺页率

intptr,i;

6

//预调页填满空间

ptr=0;//下一个要放的位置

for（i=0;i

if（!

in[page[i]]）

{

pin[ptr++]=page[i];

in[page[i]]=true;

fault_n++;

}

//继续执行剩下的指令

ptr=0;//队列里最先进来的位置，即下一个要被替换的位置

for（;i

if（!

in[page[i]]）

{

in[pin[ptr]]=false;

in[page[i]]=true;

pin[ptr]=page[i];

fault_n++;

ptr=（ptr+1）%size;

}

printf（"\nByFIFOalgorithm,thefault-pagenumberis:

%d\n",fault_n）;

printf（"thehitratiois:

%.2lf\n",（1-（fault_n+0.0）/320.0））;

}

voidLRU_solve（）

{

intltu[maxp];//last_time_use

intti=1;//模拟时间

intfault_n=0;

memset（ltu,0,sizeof（ltu））;

memset（in,false,sizeof（in））;

memset（pin,-1,sizeof（pin））;

intmin,ptr,i,j;

for（i=0;i

{

if（!

in[page[i]]）

{

//寻找lru

min=1000000;ptr=0;

for（j=0;j

{

if（ltu[j]

7

{

min=ltu[j];

ptr=j;

}

}

//替换或写入

if（pin[ptr]!

=-1）

in[pin[ptr]]=false;

in[page[i]]=true;

pin[ptr]=page[i];

fault_n++;

ltu[ptr]=ti++;

}

else//已经在内存里则只需更改最近使用时间

{

for（j=0;j

if（pin[j]==page[i]）

{

ltu[j]=ti++;

break;

}

}

}

printf（"\nByLRUalgorithm,thefault-pagenumberis:

%d\n",fault_n）;

printf（"thehitratiois:

%.2lf\n",（1-（fault_n+0.0）/320.0））;

}

voidOPT_solve（）

{

intntu[maxp];//next_time_use

intfault_n=0;

inti,j;

memset（in,false,sizeof（in））;

memset（ntu,-1,sizeof（ntu））;

//预调页填满

intptr=0;

for（i=0;i

{

if（!

in[page[i]]）

{

in[page[i]]=true;

pin[ptr]=page[i];

fault_n++;

ptr++;

8

}

}

//初始化ntu数组

ptr=0;

for（j=i;j

{

if（ntu[page[j]]==-1）

{

ntu[page[j]]=j;

ptr++;

}

}

intmax;

for（;i

{

if（!

in[page[i]]）

{

max=0;ptr=0;

for（j=0;j

{

if（ntu[pin[j]]==-1）

{

ptr=j;

break;

}

if（ntu[pin[j]]>max）

{

max=ntu[pin[j]];

ptr=j;

}

}

in[pin[ptr]]=false;

in[page[i]]=true;

pin[ptr]=page[i];

fault_n++;

}

ntu[page[i]]=-1;

for（j=i+1;j

if（page[j]==page[i]）

{

ntu[page[i]]=j;

break;

}

9

}

printf（"\nByOPTalgorithm,thefault-pagenumberis:

%d\n",fault_n）;

printf（"thehitratiois:

%.2lf\n",（1-（fault_n+0.0）/320.0））;

}

intmain（）

{

srand（time（NULL））;

welcome（）;

intchoice;

while

（1）

{

input_hint（）;

scanf（"%d",&choice）;

printf（"\n"）;

if（choice==0）

{

printf（"BYE-BYE!

!

!

\n"）;

break;

}

if（choice==1）

{

produce_inst（）;

turn_page_address（）;

printf（"NewpageaddresssequenceissetOK!

!

!

\n"）;

}

elseif（choice==2）

{

printf（"Pleaseinputthesizeofmemorypagenumber:

"）;

scanf（"%d",&size）;

}

elseif（choice==3）

FIFO_solve（）;

elseif（choice==4）

LRU_solve（）;

elseif（choice==5）

OPT_solve（）;

else

printf（"INPUTERROR!

!

!

\n"）;

}

return0;

}

10

6.运行结果及分析

6.1.运行（以某两次运行结果为例，列表如下:

）

内存451015202532

2852722301781359032FIFO

2852742241851399132LRU

22120214096684832OPT

2722622061671288232FIFO

2712652041631308632LRU

20118312792664732OPT

随着页数的增多，除了FIFO对某些序列会有Belady’sanomaly（详见6.2）外，大部分情况和LRU算法、OPT算法都是缺页率减小。

OPT是理想情况，效率是最高的。

当然当不缺页时，所有的算法缺页次数都是把所有页调进去的次数。

LRU算法有时候和FIFO算法的效率差