页面淘汰算法模拟实现与比较-编程知识

1.实验目标

利用标准C 语言，编程设计与实现最佳淘汰算法、先进先出淘汰算法、最近最久未使用淘汰算法、简单 Clock 淘汰算法及改进型 Clock 淘汰算法，并随机发生页面访问序列开展有关算法的测试及性能比较。

2.算法描述

1. 最佳淘汰算法（Optimal Replacement Algorithm）：这种算法选择将来最久不会被访问的页面进行淘汰。实现这个算法需要预知未来的页面访问请求，因此在实际中无法实现，但是我们可以模拟访问序列来比较实现效果。

2. 先进先出淘汰算法（FIFO Replacement Algorithm）：这种算法总是淘汰最早进入内存的页面。实现这个算法可以使用一个队列，新进入的页面放入队尾，需要淘汰页面时总是淘汰队头的页面。

3. 最近最久未使用淘汰算法（LRU Replacement Algorithm）：这种算法淘汰最长时间未被访问的页面。实现这个算法可以使用一个链表，每次页面被访问时，将这个页面移动到链表头，需要淘汰页面时总是淘汰链表尾的页面。

4. 简单 Clock 淘汰算法（Clock Replacement Algorithm）：这种算法将内存中的页面组织成一个环形链表，有一个指针指向最早进入的页面。每次需要淘汰页面时，检查指针指向的页面，如果这个页面最近被访问过，则将其标记清除，指针向前移动，否则淘汰这个页面。

5. 改进型 Clock 淘汰算法（Enhanced Clock Replacement Algorithm）：这是 Clock 算法的改进版，增加了一个修改位用于记录页面是否被修改过。在选择淘汰的页面时，优先选择未被修改且最近未被访问的页面。

3.访问序列模拟

1. 初始化进程逻辑地址空间页面总数 N、各逻辑页面的读写访问方式（是否支持写访问，即R、RW）、工作集起始页号s（s∈[0, N)）、工作集中包含的页数 w，工作集移动速率 v（每处理 v 个页面访问，就将工作集起始页号递增即 s+1）以及一个取值区间为[0, 1]的值 t

2. 生成取值区间为[s, min(s+w, N-1)]的v 个随机数并添加保存到页面访问序列中，同时为每次页面访问分别生成一个取值区间为[0, 1]的随机数，若该随机数值大于 0.7 且对应所访问页面支持写访问则设定以写方式访问相应页面，否则以读方式访问对应页面

3. 生成取值区间为[0, 1]的一个随机数r，并比较 r 与t 的大小

4. 若r < t，则为s 生成一个新值（s∈[0, N)），否则s = (s + 1) mod N

5. 如果想继续加大页面访问序列的长度，返回第 2 步，否则结束

4.模拟测试思路

基于相同的条件，系统均采用固定分配局部置换策略、相同的进程逻辑地址空间大小、分配给进程同样多的物理块、相同的页面访问序列、均预装入前三个页面，进行有关算法的测试，预计执行一百轮测试，以轮数为随机数种子，保证结果可以复现。

5.相关数据结构

// 模拟页面
struct PAGE { int  pages[MAXLEN];int  usenum; // 分配的最大页框数int  visitlen; // 访问序列长度
} pinfo;// 模拟页表
struct MEM { int time; // 访问记录int r; // 访问位int rw; // 修改位int pages; // 页号
} minfo;MEM pagelist[MAXLEN]; // 分配页框

#include <iostream>
#include <thread>
#include <time.h>
using namespace std;const int MAXLEN = 1024; // 最大页面数
const int epoch = 100; // 测试次数
int lossnum; // 缺页次数统计
int now; // 当前访问的页面
int replace; // 页面替换指针
int lossflag; // 是否缺页
int full; // 已使用的页框数
int rate[5][epoch];
int times[5][epoch];struct PAGE {int  pages[MAXLEN];int  usenum; // 分配的最大页框数int  visitlen; // 访问序列长度
} pinfo;
struct MEM {int time; // 访问记录int r; // 访问位int rw; // 修改位int pages; // 页号
} minfo;
MEM pagelist[MAXLEN]; // 分配页框void pageinit() { // 初始化页面数据pinfo.usenum = 3;pinfo.visitlen = 256;for (int i = 0; i < MAXLEN; i++)pinfo.pages[i] = -1;
}void visitlist(int epoch) { // 随机生成访问序列int v = 16, w = 64, s = 128; // v为每个页面访问次数，w为每个页面访问的范围，s为页面访问的起始位置pageinit();srand(epoch); // 随机种子int t= rand() % 11; // 生成tfor(int i = 0, j =0; i < 10; i++) {for(j = i * v; j < (i + 1) * v; j++) { // 生成v个[s, s+w]的随机数if(j > pinfo.visitlen) // 生成数量不能超序列长度break;pinfo.pages[j]= (s + (rand() % w)) % MAXLEN; // 随机数存储到访问序列中}if(rand() % 11 < t) // 如果r < t，则为p生成一个新值s = rand() % MAXLEN;elses = (s + 1) % MAXLEN;}
}bool randBool() { // 读写随机数生成函数if(rand() % 11 > 7) return true;else return false;
}bool inram(int page) { // 查找是否在内存for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {pagelist[i].time++;  // 访问记录++}for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {if(pagelist[i].pages == page) {lossflag = 0; // 不缺页置为0pagelist[i].time = 0; // 访问记录置0if(randBool()) {pagelist[i].r = 1;pagelist[i].rw = 1;}elsepagelist[i].r = 1;return true;}}lossflag = 1; // 缺页置为1return false;
}void OPT() {// 最佳淘汰算法replace = 0, lossnum = 0, full = 0, lossflag = 0;for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) // 刷新页框pagelist[i].pages = -1;for(now = 0; now < pinfo.visitlen; now++) {if(full < pinfo.usenum) {if(!inram(pinfo.pages[now])) { // 不在内存则装入页面pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;full++, lossnum++; }}else {if(!inram(pinfo.pages[now])) { // 不在内存则需置换int min, max = 0 ; // min为最近访问，max为最远访问for(int m = 0; m < pinfo.usenum ; m++) {min = MAXLEN;for(int n = now; n < pinfo.visitlen; n++) {if (pinfo.pages[n] == pagelist[m].pages) {min = n;break;}}if(max < min) {max = min;replace = m;}}pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;lossnum++;}}std::this_thread::sleep_for(10ms);}
}void FIFO(void) { // 先进先出淘汰算法replace = 0, lossnum = 0, full = 0, lossflag = 0;for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++)pagelist[i].pages = -1;for(now = 0; now < pinfo.visitlen; now++) {if(full < pinfo.usenum) { if(!inram(pinfo.pages[now])) {pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;full++, lossnum++;}}else {if(!inram(pinfo.pages[now])) {pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;lossnum++;}}std::this_thread::sleep_for(10ms);}
}void LRU(void) { // 最近最久未使用淘汰算法replace = 0, lossnum = 0, full = 0, lossflag = 0;for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {pagelist[i].pages = -1;pagelist[i].time = 0;} // 刷新页框for(now = 0; now < pinfo.visitlen; now++) {if(full < pinfo.usenum) {if(!inram(pinfo.pages[now])) {pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;full++, lossnum++;}}else {if(!inram(pinfo.pages[now])) {int max = 0; // 最久的访问记录for(int i = 1; i < pinfo.usenum; i++) {if(pagelist[i].time > pagelist[max].time) {max = i;}}replace = max;pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];pagelist[replace].time = 0;lossnum++;}}std::this_thread::sleep_for(10ms);}
}int replace0(int num) { // 简单Clock置换for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {if(pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 ) // 找到第一个访问位为0的页面return (i + num) % pinfo.usenum;pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r = 0; // 未找到则将所有访问位置0}for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {if(pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 )return (i + num) % pinfo.usenum;}return 0;
}int replace1(int num) { // 改进的clock置换for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {if (pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 && pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].rw == 0) // 先找访问位和修改位都为0的页面return (i + num) % pinfo.usenum;}for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {if (pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 && pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].rw == 1) // 再找访问位为0，修改位为1的页面return (i + num) % pinfo.usenum;pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r = 0; // 未找到则将所有访问位置0}for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {if (pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 && pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].rw == 0) // 再找访问位和修改位都为0的页面return (i + num) % pinfo.usenum;}for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {if (pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 && pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].rw == 1) // 最后找访问位为0，修改位为1的页面return (i + num) % pinfo.usenum;}return 0;
}void CLOCK(int choose) {int num = 0;replace = 0, lossnum = 0, full = 0, lossflag = 0;for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {pagelist[i].pages = -1;pagelist[i].rw = 0;pagelist[i].r = 0;pagelist[i].time = 0;}for(now = 0; now < pinfo.visitlen; now++) {if(full < pinfo.usenum) {if(!inram(pinfo.pages[now])) {pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;pagelist[replace].r = 1;full++, lossnum++;}}else {if(!inram(pinfo.pages[now])) {if(choose == 1)replace = replace1(num++); // choose=1,改进clock算法else if(choose == 0) // choose=0,简单clock算法replace = replace0(num++); pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];pagelist[replace].r = 1;lossnum++;}}std::this_thread::sleep_for(10ms);}
}void calculate(int i, int j, clock_t start) { // 计算缺页率和运行时间rate[i][j] = (double)(lossnum) * 100 / now;times[i][j] = (double)(clock() - start) / 1000;
}int main() {clock_t start;for(int i = 0; i < epoch; i++) {visitlist(i);start = clock();OPT();calculate(0, i, start);start = clock();FIFO();calculate(1, i, start);start = clock();LRU();calculate(2, i, start);start = clock();CLOCK(0);calculate(3, i, start);start = clock();CLOCK(1);calculate(4, i, start);}for(int i = 0; i < 5; i++) {if(i == 0) printf("OPT:    ");if(i == 1) printf("FIFO:   ");if(i == 2) printf("LRU:    ");if(i == 3) printf("CLOCK:  ");if(i == 4) printf("CLOCK+: ");int avrate = 0, avtime = 0;for(int j = 0; j < epoch; j++) {avrate += rate[i][j];avtime += times[i][j];}printf("Average replace rate = %.3lf%%  ", (double)(avrate) / epoch);printf("Average spend time: %.3lfs\n", (double)(avtime) / epoch);}return 0;
}