操作系统-请求页式存储管理实验报告

操作系统

实验三

存储管理实验

班级：

学号：

姓名：

1. 实验目的 ................................................................................................................................................ 2

2. 实验内容 ................................................................................................................................................ 2

(1) 通过随机数产生一个指令序列，共320条指令 ................................................................................. 2

(2) 将指令序列变换成为页地址流 ............................................................................................................. 2

(3) 计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率 ..................................................................... 2

3. 随机数产生办法 .................................................................................................................................... 3

环境说明 ....................................................................................................................................................... 3

4. 程序设计说明 ........................................................................................................................................ 3

4.1. 全局变量 ........................................................................................................................................ 3

4.2. 随机指令序列的产生 .................................................................................................................... 4

4.3. FIFO算法 ....................................................................................................................................... 4

4.4. LRU算法 ......................................................................................................................................... 4

4.5. OPT算法 ......................................................................................................................................... 5

5. 编程实现（源程序）： .......................................................................................................................... 5

6. 运行结果及分析 .................................................................................................................................. 11

6.1. 运行（以某两次运行结果为例，列表如下：） ........................................................................ 11

6.2. Belady’s anomaly .................................................................................................................. 11

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特点，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。

2. 实验内容

(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：

a) 50% 的指令是顺序执行的；

b) 25% 的指令是均匀分布在前地址部分；

c) 25% 的指令是均匀分布在后地址部分；

具体的实施方法是：

a) 在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点m；

b) 顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令；

c) 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';

d) 顺序执行一条指令，其地址为m'+1;

e) 在后地址[m'+2，319]中随机选取一条指令并执行;

f) 重复上述步骤a)~f)，直到执行320次指令。

(2) 将指令序列变换成为页地址流

设：

a) 页面大小为1K；

b) 用户内存容量为4页到32页；

c) 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，用户指令可以组成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

a) 先进先出的算法（FIFO）；

b) 最近最少使用算法（LRU）；

c) 最佳淘汰算法（OPT）；

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

关于随机数产生办法，可以采用操作系统提供的函数，如Linux或UNIX系统提供函数srand()和rand()，分别进行初始化和产生随机数。例如：

srand();

语句可以初始化一个随机数；

a[0]=10*rand()/32767*319+1;

a[1]=10*rand()/32767*a[0];

…

语句可以用来产生a[0]与a[1]中的随机数。

环境说明

此实验采用的是Win7下Code::blocks 10.05编译器编程。

此word实验文档中采用notepad++的语法高亮。

4. 程序设计说明

4.1. 全局变量 const int maxn = 320; //序列个数

const int max = maxn +20;//数组大小

const int maxp = max/10; //最大页数

int inst[max];//指令序列

int page[max];//页地址流

int size; //内存能容纳的页数

bool in[maxp]; //该页是否在内存里，提高效率

int pin[maxp]; //现在在内存里的页

其中in[]数组是为了方便直接判断该页是否在内存里，而不用遍历内存里所有页来判断。

fault_n用来记录缺页次数。

4.2. 随机指令序列的产生

按照实验要求的写了，但是由于没有考虑细节，开始时出了点问题。

（1）当m=319时，我们顺序执行m+1会产生第32页的页地址，从而使页地址没能按要求限制在[0, 31]

之间。

解决方法：采用循环模加来避免超出范围。

（2）但是这样之后有可能出现模0的问题。所以我索性将等于0的模数都赋值为160.

最后的程序如下。 void produce_inst()

{

int m, n;

int num = 0;

while(num

{

m = rand() % maxn;

inst[num++] = (m+1)%maxn;

if(num == maxn) break;

m = (m+2) % maxn;

if(m == 0) m = 160;

n = rand() % m;

inst[num++] = (n+1)%maxn;

if(num == maxn) break;

n = (n+2) % maxn;

m = maxn - n;

if(m == 0) m = 160;

m = rand() % m + n;

inst[num++] = m;

}

4.3. FIFO算法

定义变量ptr。

一开始先预调页填满内存。在这一部分，ptr指向下一个要存放的位置。

之后继续执行剩下的指令。此时，ptr表示队列最前面的位置，即最先进来的位置，也就是下一个要被替换的位置。ptr用循环加，即模拟循环队列。

4.4. LRU算法

定义数组ltu[],即last_time_use来记录该页最近被使用的时间。

定义变量ti模拟时间的变化，每执行一次加一。

这个算法，我没有预调页，而是直接执行所有指令。

若当前需要的页没在内存里，就寻找最近最少使用的页，也就是ltu[]最小的页，即最近一次使用时间离现在最久的页，然后替换掉它。或者在内存还未满时，直接写入，这个我以初始化内存里所有页为-1来实现。

若已经在内存里了，则只遍历内存内的页，把当前页的最近使用时间改一下即可。

4.5. OPT算法

定义数组ntu[], 即next_time_use来记录下一次被使用的时间，即将来最快使用时间。初始化为-1.

开始时预调页填满内存里的页。同样利用变量ptr来表示下一个要存放的位置从而控制预调页的过程。

接着初始化ntu数组为-1。然后求出每一页下一次被使用的指令号，以此代替使用时间。如果所有剩下的序列都没有用该页时，则还是-1.这种值为-1的页显然是最佳替换对象。

然后执行所有剩下的指令。当该页不在内存里时，遍历ntu数组，遇到-1的直接使用该页，没有则用ntu[]值最大的，也就是最晚使用的。

无论该页在不在内存里，因为这一次已经被使用了，所以都应该更新这个页的ntu[]，只需往前看要执行的页流，记录下第一个遇到的该页即可。如果没有找到同样添-1即可。

5. 编程实现（）： #include

#include

using namespace std;

const int maxn = 320; //序列个数

const int max = maxn +20;//数组大小

const int maxp = max/10; //最大页数

int inst[max];//指令序列

int page[max];//页地址流

int size; //内存能容纳的页数

bool in[maxp]; //该页是否在内存里，提高效率

int pin[maxp]; //现在在内存里的页

void welcome()

{

printf("******************************************\n");

printf("** By schnee On2011-12-06 **\n");

printf("** 班级:09211311 班内序号：30 **\n");

printf("******************************************\n\n");

}

void input_hint()

{

printf("\n1--create new instruction sequence 2--set memory page number(4 to

32)\n");

printf("3--solve by FIFO algorithm 4--solve by LRU algorithm\n"); printf("5--solve by OPT algorithm 0--exit\n");

printf("*********Please input Your choice: ");

}

/*通过随机数产生一个指令序列，共320条指令*/

void produce_inst()

{

int m, n;

int num = 0;

while(num

{

m = rand() % maxn;

inst[num++] = (m+1)%maxn;

if(num == maxn) break;

m = (m+2) % maxn;

if(m == 0) m = 160;

n = rand() % m;

inst[num++] = (n+1)%maxn;

if(num == maxn) break;

n = (n+2) % maxn;

m = maxn - n;

if(m == 0) m = 160;

m = rand() % m + n;

inst[num++] = m;

}

/*将指令序列变换成为页地址流*/

void turn_page_address()

{

for(int i=0; i

page[i] = inst[i]/10;

}

void FIFO_solve()

{

memset(in, false, sizeof(in));

int fault_n = 0;//缺页率

int ptr, i;

//预调页填满空间

ptr = 0; //下一个要放的位置

for(i=0; i

if(!in[page[i]])

{

pin[ptr++] = page[i];

in[page[i]] = true;

fault_n++;

}

//继续执行剩下的指令

ptr = 0;//队列里最先进来的位置，即下一个要被替换的位置

for(; i

if(!in[page[i]])

{

in[pin[ptr]] = false;

in[page[i]] = true;

pin[ptr] = page[i];

fault_n++;

ptr = (ptr+1) % size;

}

printf("\nBy FIFO algorithm, the fault-page number is: %d\n", fault_n);

printf(" the hit ratio is : %.2lf\n", (1-(fault_n+0.0)/320.0)); }

void LRU_solve()

{

int ltu[maxp]; //last_time_use

int ti = 1; //模拟时间

int fault_n = 0;

memset(ltu, 0, sizeof(ltu));

memset(in, false, sizeof(in));

memset(pin, -1, sizeof(pin));

int min, ptr, i, j;

for(i=0; i

{

if(!in[page[i]])

{

//寻找lru

min=1000000; ptr=0;

for(j=0; j

{

if(ltu[j]

{

min = ltu[j];

ptr = j;

}

//替换或写入

if(pin[ptr] != -1)

in[pin[ptr]] = false;

in[page[i]] = true;

pin[ptr] = page[i];

fault_n++;

ltu[ptr] = ti++;

}

else//已经在内存里则只需更改最近使用时间

{

for(j=0; j

if(pin[j] == page[i])

{

ltu[j] = ti++;

break;

}

printf("\nBy LRU algorithm, the fault-page number is: %d\n", fault_n);

printf(" the hit ratio is : %.2lf\n", (1-(fault_n+0.0)/320.0)); }

void OPT_solve()

{

int ntu[maxp];//next_time_use

int fault_n = 0;

int i, j;

memset(in, false, sizeof(in));

memset(ntu, -1, sizeof(ntu));

//预调页填满

int ptr = 0;

for(i=0; i

{

if(!in[page[i]])

{

in[page[i]] = true;

pin[ptr] = page[i];

fault_n++;

ptr++;

}

//初始化ntu数组

ptr = 0;

for(j=i; j

if(ntu[page[j]] == -1) {

ntu[page[j]] = j;

ptr++;

}

int max;

for(; i

{

if(!in[page[i]])

{

max = 0;ptr = 0;

for(j=0; j

if(ntu[pin[j]] == -1) {

ptr = j;

break;

}

if(ntu[pin[j]] > max) {

max = ntu[pin[j]]; ptr = j;

}

in[pin[ptr]] = false; in[page[i]] = true; pin[ptr] = page[i]; fault_n++;

}

ntu[page[i]] = -1;

for(j=i+1; j

ntu[page[i]] = j; break;

}

printf("\nBy OPT algorithm, the fault-page number is: %d\n", fault_n);

printf(" the hit ratio is : %.2lf\n", (1-(fault_n+0.0)/320.0)); }

int main() {

srand(time(NULL)); welcome();

int choice; while(1) {

input_hint();

scanf("%d", &choice); printf("\n");

if(choice == 0) {

printf("BYE-BYE!!!\n"); break; }

if(choice == 1) {

produce_inst(); turn_page_address();

printf("New page address sequence is set OK!!!\n"); }

else if(choice == 2) {

printf("Please input the size of memory page number: " scanf("%d", &size); }

else if(choice == 3) FIFO_solve(); else if(choice == 4) LRU_solve(); else if(choice == 5) OPT_solve(); else

printf("INPUT ERROR !!! \n"); }

return 0; }

);

6. 运行结果及分析

6.1.

运行（以某两次运行结果为例，列表如下：）

随着页数的增多，除了FIFO对某些序列会有Belady’s anomaly（详见6.2）外，大部分情况和LRU算法、OPT算法都是缺页率减小。

OPT是理想情况，效率是最高的。当然当不缺页时，所有的算法缺页次数都是把所有页调进去的次数。 LRU算法有时候和FIFO算法的效率差别并不大。甚至有时候它还比FIFO低一些的。

6.2. Belady’s anomaly

如下，我稍微改了下输入，手动输入课本上的样例，编程见证了Belady异常现。这是只有FIFO算法才有的异常。