【操作系统】虚拟存储管理-页面置换算法-编程知识

文章目录

一. 实验目的
二. 实验内容
三. 实验步骤
四. 实验结果
五. 实验总结
附：系列文章

一. 实验目的

（1）理解虚拟内存管理的原理和技术；
（2）掌握请求分页存储管理中的页面置换算法；
（3）理解请求分页中的按需调页机制。

二. 实验内容

设计一个虚拟存储区和一个内存工作区，并使用先进先出（FIFO）算法来计算命中率。要求如下：
(1) 通过随机数产生一个指令序列，里面共320条指令；
(2) 将指令序列转换成页面序列。假设：页面大小为1KB，用户内存容量为4~32页，用户虚存容量为32KB。在用户虚存中，按每页存放10条指令排列虚存低值，320条指令将存放在32个页面中。
(3) 计算出置换算法在不同内存容量下的访问命中率。
(4) 访问命中率=1-（页面失效次数/页面访问总数）

三. 实验步骤

（1）编写C程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h> 
#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
#define total_instruction 321
#define total_vp 32
//这里是 页表项 的 数组
typedef struct {int pn; //页号int pfn; //内存块号int counter;int time;
} p1_type;p1_type p1[total_vp];//这里是 页表项 的 链表
typedef struct pfc_struct {int pn;int pfn;struct pfc_struct *next;
} pfc_type;pfc_type pfc[total_vp];pfc_type *freepf_head;
pfc_type *busypf_head;
pfc_type *busypf_tail;int diseffect;int a[total_instruction]; //指令流数组
int page[total_instruction]; //每条指令 所属页号
int offset[total_instruction];void initialize();
void FIFO(int total_pf);int main() {int s,i,j;int pid=getpid();printf("pid=%d\n",pid);srand(10*pid);s=(float)319*rand()/32767/32767/2+1;printf("initialize s==%d\n",s);for(i=0; i<total_instruction; i+=4) {if(s<0 || s>319) {printf("When i==%d, Error, s==%d\n",i,s);exit(0);}a[i]=s;a[i+1]=a[i]+1;//a[i+2]=(float)a[i]*rand()/32767/32767/2;a[i+2]=(float)a[i]*rand()/32767/2;//printf("a[%d+2]=%d\n",i,a[i+2]);a[i+3]=a[i+2]+1;//s=(float)(318-a[i+2])*rand()/32767/32767/2+a[i+2]+2;s=(float)(318-a[i+2])*rand()/32767/2+a[i+2]+2;//printf("s==%d\n",s);if((a[i+2]>318) ||(s>319))printf("a[%d+2], a number which is %d and s==%d\n",i,a[i+2],s);}//for(i=0; i<total_instruction; i+=4) {for(j=0; j<4; j++)printf("%d ",a[i+j]);printf("\n");}for(i=0; i<total_instruction; i++) {page[i]=a[i]/10;offset[i]=a[i]%10;}for(i=4; i<=32; i++) {printf("%2d page frames",i);FIFO(i);printf("\n");}} //end mainvoid initialize(int total_pf) {int i;diseffect=0;for(i=0; i<total_vp; i++) {p1[i].pn=i;p1[i].pfn=INVALID;p1[i].counter=0;p1[i].time=-1;}for(i=0; i<total_pf-1; 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];
}void FIFO(int total_pf) {int i,j;pfc_type *p;initialize(total_pf);busypf_head=busypf_tail=NULL;for(i=0; i<total_instruction; i++) {if(p1[page[i]].pfn==INVALID) {diseffect+=1;if(freepf_head==NULL) {p=busypf_head->next;p1[busypf_head->pn].pfn=INVALID;//释放第一个页面freepf_head=busypf_head;freepf_head->next=NULL;busypf_head=p;}p=freepf_head->next;freepf_head->next=NULL;freepf_head->pn=page[i];p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;if(busypf_tail==NULL)busypf_head=busypf_tail=freepf_head;else {busypf_tail->next=freepf_head;busypf_tail=freepf_head;}freepf_head=p;} else//printf("mingzhong p1[page[%d]].pfn==%d\n",i,p1[page[i]].pfn);;}printf(" FIFO:%6.4f",1-(float)diseffect/320);
}

该程序主要实现了FIFO算法来模拟页面置换过程。

首先，定义了几个常量和结构体，包括页表项和页表项链表的结构。

初始化函数initialize用于初始化页表项和页表项链表，并设置了空闲页面帧和正在使用的页面帧的头节点。

FIFO函数实现了FIFO算法的页面置换过程。该算法的思想是，若所需页面不在内存中，则将内存中的最早进入的页面置换出去，并将所需页面加入内存中。具体实现过程如下：

初始化页面帧和页面帧链表。
遍历指令流数组，判断是否所需页面在内存中。
若所需页面不在内存中，则发生缺页中断，需要进行页面置换。
若空闲页面帧不为空，则将所需的页面加入内存中。更新页表项的页面帧号，并将该页面帧从空闲页面帧链表中移除，加入正在使用的页面帧链表中。
若空闲页面帧为空，则选择最早进入的页面帧进行置换。首先释放该页面帧对应的页表项，然后将最早进入的页面帧从正在使用的页面帧链表中移除，加入空闲页面帧链表中，最后将所需的页面加入内存中。更新页表项的页面帧号，并将该页面帧从空闲页面帧链表中移除，加入正在使用的页面帧链表中。
统计页面缺失次数。
输出FIFO算法的缺页率。

最后，在main函数中，生成了指令流数组，并通过FIFO函数模拟了不同页面帧数下的页面置换过程，并输出了相应的缺页率。

四. 实验结果

页面置换算法

五. 实验总结

页面置换算法是操作系统中用来解决内存管理问题的一种重要技术。在计算机中，内存是有限的资源，而进程需要占用内存来运行。当内存不足时，操作系统需要进行页面置换，将部分进程从内存中调出，以便为新的进程腾出空间。

页面置换算法的目标是尽可能地提高内存利用率和进程的执行效率。常见的页面置换算法包括最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）、最近最久未使用置换算法（LRU）等。

最佳置换算法（OPT）是一种理想的页面置换算法，它假设可以预测未来的访问序列。它会将最久未被使用到的页面替换出去，以便给未来有可能被使用的页面腾出空间。然而，由于无法准确预测未来的访问序列，实际上很难实现最佳置换算法。

先进先出置换算法（FIFO）是一种简单而常用的页面置换算法。它按照进程进入内存的先后顺序进行页面置换。当内存不足时，最先进入内存的页面会被置换出去。然而，先进先出置换算法存在一种缺点，即它无法考虑页面的访问频率和重要性。

最近最久未使用置换算法（LRU）是一种基于页面访问历史的置换算法。它假设过去被访问得最近的页面最有可能在未来被再次访问。因此，最近最久未使用置换算法会选择最久未被访问的页面进行置换。相比于先进先出置换算法，LRU算法更加智能化，能够更好地适应不同的页面访问特征。

除了上述几种页面置换算法外，还有一些其他的算法，如时钟算法、工作集算法等。这些算法都有各自的特点和适用场景。

页面置换算法是操作系统中内存管理的关键技术之一。通过合理地选择和使用页面置换算法，可以提高内存利用率和进程执行效率，从而提升系统的整体性能。

附：系列文章

序号	文章目录	直达链接
1	初识Linux	https://want595.blog.csdn.net/article/details/133018477
2	进程的控制和通信	https://want595.blog.csdn.net/article/details/133900024
3	多线程同步与互斥	https://want595.blog.csdn.net/article/details/134135476
4	处理机调度	https://want595.blog.csdn.net/article/details/135327578
5	死锁处理-银行家算法	https://want595.blog.csdn.net/article/details/135327618
6	虚拟存储管理-页面置换算法	https://want595.blog.csdn.net/article/details/135327651