操作系统实验报告5.docx
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操作系统实验报告5.docx
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操作系统实验报告5
实验名称:
存储管理
学号班级姓名
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技术特点,掌握请求页式存储管理的页面置换算法。
2实验预备内容:
(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:
①50%的指令是顺序执行的;
②50%的指令是均匀分布在前地址部分;
③50%的指令是均匀分布在后地址部分。
具体的实施方法是:
①在[0,319]的指令之间随即选取一起点m;
②顺序执行一条指令,即执行地址为m+1的指令;
③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′;
④顺序执行一条指令,其地址为m′+1;
⑤在后地址[m′+2,319]中随机选取一条指令并执行;
⑥重复上述步骤①-⑤,直到执行320次指令。
(2)将指令序列变换为页地址流
设:
①页面大小为1k;
②用户内存容量为4页到32页;
③用户虚存容量为32k。
在用户虚存中,按每k存放10条指令排在虚存地址,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条指令为第一页(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在不同内存容量下的命中率。
①先进先出的算法(FIFO);
②最近最少使用算法(LRR);
③最佳淘汰算法(OPT)先淘汰最不常用的页地址;
④最少访问页面算法(LFR);
⑤最近最不经常使用算法(NUR)。
其中③和④为选择内容。
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,Linux或UNIX系统提供函数strand()和rand(),分别进行初始化和产生随机数。
例如:
srand();
语句可初始化一个随机数;
a[0]=10*rand()/65535*319+1;
a[1]=10*rand()/65535*a[0];
语句可用来产生a[0]与a[1]中的随机数。
3实验内容:
<任务>
设计一个虚拟存储区和内存工作区,并使用下列算法计算访问命中率.
(1)进先出的算法(FIFO)
(2)最近最少使用的算法(LRU)
(3)最佳淘汰算法(OPT)
(4)最少访问页面算法(LFU)
(5)最近最不经常使用算法(NUR)
命中率=(1-页面失效次数)/页地址流长度
4实验步骤:
本实验的程序设计基本上按照实验内容进行。
即首先用srand()和rand()函数定义和产生指令序列,然后将指令序列变换成相应的页地址流,并针对不同的算法计算出相应的命中率。
相关定义如下:
1数据结构
(1)页面类型
typedefstruct{
intpn,pfn,counter,time;
}pl-type;
其中pn为页号,pfn为面号,counter为一个周期内访问该页面的次数,time为访问时间.
(2)页面控制结构
pfc-struct{
intpn,pfn;
structpfc_struct*next;
}
typedefstructpfc_structpfc_type;
pfc_typepfc_struct[total_vp],*freepf_head,*busypf_head;
pfc_type*busypf_tail;
其中pfc[total_vp]定义用户进程虚页控制结构,
*freepf_head为空页面头的指针,
*busypf_head为忙页面头的指针,
*busypf_tail为忙页面尾的指针.
2.函数定义
(1)Voidinitialize():
初始化函数,给每个相关的页面赋值.
(2)VoidFIFO():
计算使用FIFO算法时的命中率.
(3)VoidLRU():
计算使用LRU算法时的命中率.
(4)VoidOPT():
计算使用OPT算法时的命中率.
(5)VoidLFU():
计算使用LFU算法时的命中率.
(6)VoidNUR():
计算使用NUR算法时的命中率.
3.变量定义
(1)inta[total_instruction]:
指令流数据组.
(2)intpage[total_instruction]:
每条指令所属的页号.
(3)intoffset[total_instruction]:
每页装入10条指令后取模运算页号偏移值.
(4)inttotal_pf:
用户进程的内存页面数.
(5)intdisaffect:
页面失效次数.
4.程序参考源码及结果
<程序>
#defineTRUE1
#defineFALSE0
#defineINVALID-1
#defineNULL0
#definetotal_instruction320/*指令流长*/
#definetotal_vp32/*虚页长*/
#defineclear_period50/*清0周期*/
typedefstruct/*页面结构*/
{
intpn;//页号logicnumber
intpfn;//页面框架号physicalframenumber
intcounter;//计数器
inttime;//时间
}pl_type;
pl_typepl[total_vp];/*页面线性结构---指令序列需要使用地址*/
typedefstructpfc_struct/*页面控制结构,调度算法的控制结构*/
{
intpn;
intpfn;
structpfc_struct*next;
}pfc_type;
pfc_typepfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;
intdiseffect,a[total_instruction];/*a[]为指令序列*/
intpage[total_instruction],offset[total_instruction];/*地址信息*/
intinitialize(int);
intFIFO(int);
intLRU(int);
intLFU(int);
intNUR(int);//notuserecently
intOPT(int);
intmain()
{
ints,i,j;
srand(10*getpid());/*由于每次运行时进程号不同,故可用来作为初始化随机数队列的“种子”*/
s=(float)319*rand()/32767/32767/2+1;/*正态分布*/
for(i=0;i { if(s<0||s>319) { printf("Wheni==%d,Error,s==%d\n",i,s); exit(0); } a[i]=s;/*任选一指令访问点m*/ a[i+1]=a[i]+1;/*顺序执行一条指令*/ a[i+2]=(float)a[i]*rand()/32767/32767/2;/*执行前地址指令m*/ a[i+3]=a[i+2]+1;/*顺序执行一条指令*/ s=(float)(318-a[i+2])*rand()/32767/32767/2+a[i+2]+2; if((a[i+2]>318)||(s>319)) printf("a[%d+2],anumberwhichis: %dands==%d\n",i,a[i+2],s); } for(i=0;i { page[i]=a[i]/10; offset[i]=a[i]%10; } for(i=4;i<=32;i++)/*用户内存工作区从4个页面到32个页面*/ { printf("---%2dpageframes---\n",i); FIFO(i); LRU(i); LFU(i); NUR(i); OPT(i); } return0; } /*初始化相关数据结构total_pf表示内存的块数*/ intinitialize(inttotal_pf) { inti; diseffect=0; for(i=0;i { pl[i].pfn=INVALID;/*置页面控制结构中的页号,页面为空*/ pl[i].counter=0;/*页面控制结构中的访问次数为0*/ pl[i].time=-1;/*访问的时间*/ } for(i=0;i { pfc[i].next=&pfc[i+1]; pfc[i].pfn=i; } pfc[total_pf-1].next=NULL; pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1; freepf_head=&pfc[0];/*空页面队列的头指针为pfc[0]*/ return0; } intFIFO(inttotal_pf)/*先进先出算法total_pf: 用户进程的内存页面数*/ { inti,j; pfc_type*p;/*中间变量*/ initialize(total_pf);/*初始化相关页面控制用数据结构*/ busypf_head=busypf_tail=NULL;/*忙页面队列头,队列尾链接*/ for(i=0;i { if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*页面失效*/ { diseffect+=1;/*失效次数*/ if(freepf_head==NULL)/*无空闲页面*/ { p=busypf_head->next; pl[busypf_head->pn].pfn=INVALID; freepf_head=busypf_head;/*释放忙页面队列的第一个页面*/ freepf_head->next=NULL;/*表明还是缺页*/ busypf_head=p; } p=freepf_head->next; freepf_head->pn=page[i]; pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn; freepf_head->next=NULL;/*使busy的尾为null*/ if(busypf_tail==NULL) { busypf_tail=busypf_head=freepf_head; } else { busypf_tail->next=freepf_head; busypf_tail=freepf_head; } freepf_head=p; } } printf("FIFO: %6.4f\n",1-(float)diseffect/320); return0; intLRU(inttotal_pf)/*最近最久未使用算法leastrecentlyused*/ { intmin,minj,i,j,present_time;/*minj为最小值下标*/ initialize(total_pf); present_time=0; for(i=0;i { if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*页面失效*/ { diseffect++; if(freepf_head==NULL)/*无空闲页面*/ { min=32767;/*设置最大值*/ for(j=0;j { if(min>pl[j].time&&pl[j].pfn! =INVALID) { min=pl[j].time; minj=j; } } freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn];//腾出一个单元 pl[minj].pfn=INVALID; pl[minj].time=0; freepf_head->next=NULL; } pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;//有空闲页面,改为有效 pl[page[i]].time=present_time; freepf_head=freepf_head->next;//减少一个free页面 } else { pl[page[i]].time=present_time;//命中则增加该单元的访问次数 present_time++; } } printf("LRU: %6.4f\n",1-(float)diseffect/320); return0; } intNUR(inttotal_pf)/*最近未使用算法NotUsedrecentlycount表示*/ { inti,j,dp,cont_flag,old_dp; pfc_type*t; initialize(total_pf); dp=0; for(i=0;i { if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*页面失效*/ { diseffect++; if(freepf_head==NULL)/*无空闲页面*/ { cont_flag=TRUE; old_dp=dp; while(cont_flag) { if(pl[dp].counter==0&&pl[dp].pfn! =INVALID) cont_flag=FALSE; else { dp++; if(dp==total_vp) dp=0; if(dp==old_dp) for(j=0;j pl[j].counter=0; } } freepf_head=&pfc[pl[dp].pfn]; pl[dp].pfn=INVALID; freepf_head->next=NULL; } pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn; freepf_head->pn=page[i]; freepf_head=freepf_head->next; } else pl[page[i]].counter=1; if(i%clear_period==0) for(j=0;j pl[j].counter=0; } printf("NUR: %6.4f\n",1-(float)diseffect/320); return0; } intOPT(inttotal_pf)/*最佳置换算法*/ { inti,j,max,maxpage,d,dist[total_vp]; pfc_type*t; initialize(total_pf); for(i=0;i { if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*页面失效*/ { diseffect++; if(freepf_head==NULL)/*无空闲页面*/ { for(j=0;j { if(pl[j].pfn! =INVALID) dist[j]=32767; else dist[j]=0; } for(j=0;j { if((pl[j].pfn! =INVALID)&&(dist[j]==32767)) { dist[j]=j; } } max=0; for(j=0;j if(max { max=dist[j]; maxpage=j; } freepf_head=&pfc[pl[maxpage].pfn]; freepf_head->next=NULL; pl[maxpage].pfn=INVALID; } pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn; freepf_head=freepf_head->next; } } printf("OPT: %6.4f\n",1-(float)diseffect/320); return0; } /*该算法时根据已知的预测未知的,leastfrequencyUsed是最不经常使用置换法*/ intLFU(inttotal_pf) { inti,j,min,minpage; pfc_type*t; initialize(total_pf); for(i=0;i { if(pl[page[i]].pfn==INVALID)/*页面失效*/ { diseffect++; if(freepf_head==NULL)/*无空闲页面*/ { min=32767; /*获取counter的使用用频率最小的内存*/ for(j=0;j { if(min>pl[j].counter&&pl[j].pfn! =INVALID) { min=pl[j].counter; minpage=j; } } freepf_head=&pfc[pl[minpage].pfn]; pl[minpage].pfn=INVALID; pl[minpage].counter=0; freepf_head->next=NULL; } pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;//有空闲页面,改为有效 pl[page[i]].counter++; freepf_head=freepf_head->next;//减少一个free页面 } else { pl[page[i]].counter; pl[page[i]].counter=pl[page[i]].counter+1; } } printf("LFU: %6.4f\n",1-(float)diseffect/320); return0; } <结果一: 〉 4pageframesFIFO: 0.2562LRU: 0.2531OPT: 0.3031LFU: 0.2812NUR: 0.2812 5pageframesFIFO: 0.2969LRU: 0.2906OPT: 0.3500LFU: 0.3219NUR: 0.3094 6pageframesFIFO: 0.3375LRU: 0.3281OPT: 0.3844LFU: 0.3375NUR: 0.3344 7pageframesFIFO: 0.3563LRU: 0.3563OPT: 0.4031LFU: 0.3563NUR: 0.3500 8pageframesFIFO: 0.3937LRU: 0.3750OPT: 0.4531LFU: 0.3937NUR: 0.3719 9pageframesFIFO: 0.4219LRU: 0.4094OPT: 0.4844LFU: 0.4156NUR: 0.4062 10pageframesFIFO: 0.4375LRU: 0.4313OPT: 0.5062LFU: 0.4313NUR: 0.4250 11pageframesFIFO: 0.4813LRU: 0.4625OPT: 0.5531LFU: 0.4500NUR: 0.4656 12pageframesFIFO: 0.5406LRU: 0.4875OPT: 0.5687LFU: 0.4938NUR: 0.4875 13pageframesFIFO: 0.5500LRU: 0.5188OPT: 0.5969LFU: 0.5062NUR: 0.5437 14pageframesFIFO: 0.5594LRU: 0.5531OPT: 0.6344LFU: 0.5281NUR: 0.5469 15pageframesFIFO: 0.5687LRU: 0.5844OPT: 0.6687LFU: 0.5469NUR: 0.5813 16pageframesFIFO: 0.5781LRU: 0.5938OPT: 0.6813LFU: 0.5719NUR: 0.5969 17pageframesFIFO: 0.5906LRU: 0.6156OPT: 0.6969LFU: 0.6156NUR: 0.6156 18pageframesFIFO: 0.6156LRU: 0.6312OPT: 0.7156LFU: 0.6344NUR: 0.6531 19pageframesFIFO: 0.6687LRU: 0.6656OPT: 0.7344LFU: 0.6531NUR: 0.6719 20pageframesFIFO: 0.6875LRU: 0.6969OPT: 0.7500
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