段页式虚拟存储管理
模拟操作系统中的段页式虚拟内存管理。
题目描述：
- 内存大小64K，页框大小为1K，一个进程最多有4个段，且每个段最大为16K。一个进程驻留集最多为8页。
- 驻留集置换策略：局部策略（仅在进程的驻留集中选择一页）
- 页面淘汰策略：FIFO、LRU
要实现的功能
- 创建进程：输入进程名、每个段大小
- 销毁进程：回收该进程占有的内存
- 查看一个进程当前的驻留集、页面淘汰策略（FIFO or LRU）、段表、页表
- 查看内存的使用情况
- 地址映射：请求一个逻辑地址（段号、段偏移），判断是否缺页，如果不缺页，计算输出其物理地址；若缺页，根据驻留集置换策略，选择一页换出并将请求的页换入，再计算其物理地址。
程序展示
程序提供了一个shell与用户交互，输入help可以获取帮助。
- 创建进程
>>> create process P1 1255 3333 2222
IO: 将进程 P1 段(0) 页(0) 读入页框 0 中
IO: 将进程 P1 段(0) 页(1) 读入页框 1 中
IO: 将进程 P1 段(1) 页(0) 读入页框 2 中
IO: 将进程 P1 段(1) 页(1) 读入页框 3 中
IO: 将进程 P1 段(1) 页(2) 读入页框 4 中
IO: 将进程 P1 段(1) 页(3) 读入页框 5 中
IO: 将进程 P1 段(2) 页(0) 读入页框 6 中
IO: 将进程 P1 段(2) 页(1) 读入页框 7 中
创建进程 P1 成功
- 查看进程
>>> show process P1
驻留集：[ 0 1 2 3 4 5 6 7 ]
置换策略：FIFO [ (0, 0) (0, 1) (1, 0) (1, 1) (1, 2) (1, 3) (2, 0) (2, 1) ]
进程P1 段号:0 段大小:1255
-----------------------------------------------------------------
| 页号 | 是否载入 | 页框号 | 页框起始地址 | 上一次访问时间 |
-----------------------------------------------------------------
| 0 | load | 0 | 0 | 1529205483427 |
| 1 | load | 1 | 1024 | 1529205483427 |
-----------------------------------------------------------------
进程P1 段号:1 段大小:3333
-----------------------------------------------------------------
| 页号 | 是否载入 | 页框号 | 页框起始地址 | 上一次访问时间 |
-----------------------------------------------------------------
| 0 | load | 2 | 2048 | 1529205483427 |
| 1 | load | 3 | 3072 | 1529205483427 |
| 2 | load | 4 | 4096 | 1529205483428 |
| 3 | load | 5 | 5120 | 1529205483428 |
-----------------------------------------------------------------
进程P1 段号:2 段大小:2222
-----------------------------------------------------------------
| 页号 | 是否载入 | 页框号 | 页框起始地址 | 上一次访问时间 |
-----------------------------------------------------------------
| 0 | load | 6 | 6144 | 1529205483428 |
| 1 | load | 7 | 7168 | 1529205483428 |
| 2 | unload | | | |
-----------------------------------------------------------------
- 删除进程
>>> destroy process P1
销毁进程P1成功
- 将逻辑地址映射到物理地址
>>> address P4 2 3234
请求的页不再内存中，发生缺页中断
IO: 将页框0内容写入外存。进程 P4 段(0) 页(0)
IO: 将进程 P4 段(2) 页(3) 读入页框 0 中
进程P4段(2) 段偏移(3234) 物理地址为：162
- 查看内存
>>> show memory
内存使用情况：
0-7: | P4 | P4 | P2 | P2 | | | | |
8-15: | | P4 | P4 | P4 | P4 | P4 | P4 | |
16-23: | | | | | | | | |
24-31: | | | | | | | | |
32-39: | | | | | | | | |
40-47: | | | | | | | | |
48-55: | | | | | | | | |
56-63: | | | | | | | | |
详细设计
一些策略：
- 放置策略：决定一个进程驻留集存放在内存什么地方。优先存放在低页框。当一个进程进入时，从低页框选择未使用的页框。
- 初始载入策略：创建进程后，决定最开始将那些页载入内存，从第0个、第1个段…依次载入页，直到驻留集已全部载入
一些类的说明：
Memory内存模拟类
由于是模拟，内存可以看作是Frame页框的数组。提供了两个方法：
- 申请内存：
int[] mallocFrame(String id, int n)返回申请到的页框的页框号数组。根据放置策略（优先选择低页框），从数组下标0处遍历数组，选择没有被占用的页框。
/**
* 放置策略：优先放在低页框
* 申请(设置used为true)前n个未使用的页框，返回包含页框号的数组；若剩余内存不够，返回null
*/
public int[] mallocFrame(String id, int n) {
if(unusedFrameCount < n) {
return null;
}
int[] result = new int[n];
int index = 0;
for(int i = 0; index < n && i < memory.length; i++) {
if(memory[i].used == false) {
result[index] = memory[i].frameNum;
memory[i].setUsed(id);
index++;
}
}
unusedFrameCount -= n;
return result;
}
- 释放内存：
void freeFrame(int[] frames)释放frames数组中页框号的内存。
PCB类
void initLoad()函数中体现了初始载入策略（从第0个、第1个段…依次载入页，直到驻留集已全部载入）。
/**
* 创建进程完成后，载入一些页。若该程序可以全部放入驻留集中，则将全部程序载入
* 初始载入策略：从第0个、第1个段...依次载入页，直到驻留集已全部载入
*/
public void initLoad() {
int index = 0;
for(SegmentEntry segment : STable) {
for(PageEntry page : segment.PTable) {
if(index >= residentSetCount) {
break;
}
page.setLoad(residentSet[index]);
loadQueue.add(new Integer[]{
segment.segmentNum, page.pageNum});
memory.readPage(id, segment.segmentNum, page.pageNum, residentSet[index]);
index++;
}
}
}
- 当发生缺页中断后，需要根据置换策略（FIFO or LRU）选择一个页换出内存，并将另一个页载入。
void replacePage(int inSN, int inPN)代码如下：
/**
* 依据policy策略选择一页换出驻留集，并将segmentNum段pagNum页换入
* SN SegmentNum
* PN PageNum
*/
public void replacePage(int inSN, int inPN) {
Integer[] something;
if(policy == OS.REPLACE_POLICY.FIFO) {
something = selectReplacePage_FIFO();
} else {
something = selectReplacePage_LRU();
}
int outSN = something[0];
int outPN = something[1];
PageEntry inPage = STable[inSN].PTable[inPN];
PageEntry outPage = STable[outSN].PTable[outPN];
int frameNum = outPage.frameNum;
memory.writePage(id, outSN, outPN, frameNum);
outPage.setUnload();
memory.readPage(id, inSN, inPN, frameNum);
inPage.setLoad(frameNum);
loadQueue.add(new Integer[]{
inSN, inPN});
}
- FIFO的实现
Integer[] selectReplacePage_FIFO()
在PCB类中维护一个队列，记录进程中页（段号、页号）的载入顺序，每当页载入内存时入队；要将页换出时，返回队头元素。
// 页载入内存的顺序。其中Integer数组元素分别为段号、页号
// 用于实现替换策略的 FIFO
// 重要：每当页载入内存时更新队列
public Queue<Integer[]> loadQueue = new LinkedList<>();
/**
* 根据FIFO策略选择一个页，依次返回该页的段号、页号
*/
private Integer[] selectReplacePage_FIFO() {
return loadQueue.poll();
}
- LRU的实现
Integer[] selectReplacePage_LRU()
在PageEntry页表项类中有usedTime变量，记录该页上一次被访问的时间。当该页被初始载入或被访问时，重置时间；要将页换出时，遍历进程所有页，选出usedTime最小的页，返回段号、页号。
/**
* 根据LRU策略选择一个页，依次返回该页的段号、页号
*/
private Integer[] selectReplacePage_LRU() {
long leastTime = System.currentTimeMillis() + 1000000; // 设置为现在以后的时间
int segmentNum = -1;
int pageNum = -1;
// 遍历所有页，找到usedTime最小的
for(SegmentEntry segment : STable) {
for(PageEntry page : segment.PTable) {
if(page.load && page.usedTime < leastTime) {
leastTime = page.usedTime;
segmentNum = segment.segmentNum;
pageNum = page.pageNum;
}
}
}
return new Integer[] {
segmentNum, pageNum};
}
功能实现OS类
创建进程：boolean createProcess(String id, int[] segments)
检验创建进程的合法性（进程名是否重复、段的个数、每个段大小是否合法）
创建PCB对象
调用mallocFrame(String id, intn)申请内存。若内存不足，提示创建失败，返回
调用initLoad()初始载入一些页
/**
* 创建一个进程，返回创建是否成功
*/
public boolean createProcess(String id, int[] segments) {
String mess = validate(id, segments);
if(mess != null) {
System.out.println("创建进程失败(" + mess + ")");
return false;
}
// 验证是否有足够的内存
PCB process = new PCB(id, segments, ReplacePolicy);
if(process.residentSetCount > memory.unusedFrameCount()) {
System.out.println("创建进程失败(内存不足)");
return false;
}
// 申请内存，设置驻留集
processes.put(id, process);
int[] frame = memory.mallocFrame(id, process.residentSetCount);
process.residentSet = frame;
// 随机载入一些页
process.initLoad();
System.out.println("创建进程 " + id + " 成功");
return true;
}
将逻辑地址映射为物理地址：int toPhysicalAddress(String id, int segmentNum, int segmentOffset)
检验（进程、段是否存在；访问地址是否越界）
根据段偏移计算页号、页偏移
判断访问的页是否存在，不存在调用replacePage(int inSN, intinPN) ，选择一页换出内存，并将请求的页载入
计算物理地址，重置该页使用时间
/**
* 将逻辑地址（段号+段偏移）转化成物理地址。若出错，返回-1
* 如果发生缺页中断，根据置换策略选择一个页换出，并将请求的页载入到内存中
*/
public int toPhysicalAddress(String id, int segmentNum, int segmentOffset) {
PCB process = processes.get(id);
if(process == null) {
System.out.println("操作失败，进程" + id + "不存在");
return -1;
}
// 判断请求的段是否存在
if (segmentNum < 0 || segmentNum >= process.STable.length) {
System.out.println("操作失败，进程" + id + " 段(" + segmentNum + ")不存在");
return -1;
}
SegmentEntry segment = process.STable[segmentNum];
// 若段偏移大于段大小，则请求失败
if(segmentOffset > segment.segmentSize) {
System.out.println("操作失败，进程 " + id + " 段偏移(" + segmentOffset +") 越界");
return -1;
}
// 根据segmentOffset计算页号和页偏移
int pageNum = segmentOffset / OS.pageSize;
int pageOffset = segmentOffset % OS.pageSize;
PageEntry page = segment.PTable[pageNum];
if(page.load == false) {
// 如果该页不在内存中，根据淘汰策略淘汰一个页面，并将该页载入
System.out.println("请求的页不再内存中，发生缺页中断");
process.replacePage(segmentNum, pageNum);
}
// 计算物理地址、设置该页使用时间
page.usedTime = System.currentTimeMillis();
int frameNum = page.frameNum;
int beginAddress = memory.getFrame(frameNum).beginAddress;
System.out.println("进程" + id + "段(" + segmentNum +") 段偏移(" + segmentOffset + ") 物理地址为：" + (beginAddress + pageOffset));
return beginAddress + pageOffset;
}
销毁进程：void destroyProcess(String id)
查看进程：void showMemory()
查看内存：void showMemory()
如何运行
下载该项目，在eclipse下依次选择File -> Import -> General -> Existing Projects into Workspace选择MemoryManagement项目导入，在Shell类运行，按照提示操作即可。