一、实验目的
1、了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式存储管理的主要页面置换算法原理。
2、掌握请求页式存储管理中页面置换算法的模拟设计方法。
3、通过随机产生页面访问序列开展有关算法的测试及性能比较。
二、实验内容
设计一个虚拟存储区和内存工作区，并使用下述方法计算访问命中率。
①先进先出的算法（FIFO）；
②最近最少少使用算法(LRU);
③最佳淘汰算法(OPT):选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)；
⑥简单 Clock 淘汰算法及改进型 Clock 淘汰算法.
（其中④⑤⑥为选择内容）
命中率= 1 - 页面失效次数 / 页地址流长度17
三、实验要求
本实验课题功能设计要求如下：
（1）编程设计实现最佳淘汰算法、先进先出淘汰算法、最近最久未使用淘汰算法、最少访问页
面算法(LFR)、最近最不经常使用算法(NUR).；
（2）编程设计实现页面访问序列的随机产生机制，包括各页面读写访问方式的设定算法的要求；
（3）在执行进程和访问各页面过程中，每访问一个（或一次）页面应显示输出当时的进程页表
内容（包括页号、物理块号、状态位、读/写访问方式等字段）及本次页面访问操作情况（譬如页面已在内存或触发缺页中断）；
（4）基于相同的条件，包括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
（暨逻辑页面数，设进程逻辑地址空间的页面总数为 N，则其页号取值区间为[0, N)）、分配给进程同样多的物理块（设进程分配获得 S 个物理块，则相应物理块号分别标记为 PF0 、 PF1、……、PFN-1）、相同的页面访问序列（整数序列，整数取值区间为[0, N)）、均预装入前三个页面，进行有关算法的测试；
（5）变换上述条件实施多次测试，统计分析和比较有关算法的性能（譬如缺页率、淘汰页、查
找时间开销）。
四、设计原理及相关算法
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；
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：
①在[1，319]指令地址之间随机选取一起点m；
②顺序执行一条指令，即执行地址为m十1的指令；
③在前地址［0，m十1］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；
③重复上述步骤①～⑤，直到执行320次指令。
2、将指令序列变换成为页地址流
设：①页面大小为IK； 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。
五、结果分析
gcc pagereplace.c -o pr
./pr
六、源代码
//1.存储管理。
#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
#define NULL 0
#define total_instruction 320 /*指令流长*/
#define total_vp 32 /*虚页长*/
#define clear_period 50 /*清0周期*/
typedef struct /*页面结构*/
{
int pn; //页号 logic number
int pfn; //页面框架号 physical frame number
int counter; //计数器
int time; //时间
}pl_type;
pl_type pl[total_vp]; /*页面线性结构---指令序列需要使用地址*/
typedef struct pfc_struct /*页面控制结构，调度算法的控制结构*/
{
int pn;
int pfn;
struct pfc_struct *next;
}pfc_type;
pfc_type pfc[total_vp], *freepf_head, *busypf_head, *busypf_tail;
int diseffect, a[total_instruction]; /* a[]为指令序列*/
int page[total_instruction], offset[total_instruction];/*地址信息*/
int initialize(int);
int FIFO(int);
int LRU(int);
int LFU(int);
int NUR(int); //not use recently
int OPT(int);
int main( )
{
int s,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<total_instruction;i+=4) /*产生指令队列*/
{
if(s<0||s>319)
{
printf("When i==%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],a number which is :%d and s==%d\n",i,a[i+2],s);
}
for (i=0;i<total_instruction;i++) /*将指令序列变换成页地址流*/
{
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("--%2d page frames ",i);
FIFO(i);
LRU(i);
LFU(i);
NUR(i);
OPT(i);
}
return 0;
}
/*初始化相关数据结构 total_pf表示内存的块数 */
int initialize(int total_pf)
{
int i;
diseffect=0;
for(i=0;i<total_vp;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<total_pf-1;i++) /*建立pfc[i-1]和pfc[i]之间的链接*/
{
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]*/
return 0;
}
int FIFO(int total_pf) /*先进先出算法total_pf:用户进程的内存页面数*/
{
int i,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<total_instruction;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 ",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int LRU (int total_pf) /*最近最久未使用算法least recently used*/
{
int min,minj,i,j,present_time; /*minj为最小值下标*/
initialize(total_pf);
present_time=0;
for(i=0;i<total_instruction;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<total_vp;j++) /*找出time的最小值*/
{
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 ",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int NUR(int total_pf ) /*最近未使用算法Not Used recently count表示*/
{
int i,j,dp,cont_flag,old_dp;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
dp=0;
for(i=0;i<total_instruction;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<total_vp;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<total_vp;j++)
pl[j].counter=0;
}
printf("NUR:%6.4f ",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int OPT(int total_pf) /*最佳置换算法*/
{
int i,j, max,maxpage,d,dist[total_vp];
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
for(i=0;i<total_instruction;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<total_vp;j++)
{
if(pl[j].pfn!=INVALID)
dist[j]=32767;
else
dist[j]=0;
}
for(j=0;j<total_vp;j++)
{
if((pl[j].pfn!=INVALID)&&(dist[j]==32767))
{
dist[j]=j;
}
}
max=0;
for(j=0;j<total_vp;j++)
if(max<dist[j])
{
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);
return 0;
}
/*该算法时根据已知的预测未知的，least frequency Used是最不经常使用置换法*/
int LFU(int total_pf)
{
int i,j,min,minpage;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
for(i=0;i<total_instruction;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<total_vp;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 ",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}