存储管理实验报告.docx
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存储管理实验报告
综合性实验报告
专业：
网络工程年级：
12级班级：
网络工程2014—2015学年第一学期
课程名称
计算机操作系统
指导教师
实验地点
过街楼
实验时间
12.3-12.10-12.17-12.24
12.4-12.11-12.18-12.25
项目名称
存储管理
实验类型
综合性
一、实验目的
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，掌握请求页式管理的页面置换算法。
页面置换算法是虚拟存储管理实现的关键，通过本次实验理解内存页面调度的机制，在模拟实现FIFO、LRU、OPT、LFU、NUR几种经典页面置换算法的基础上，比较各种置换算法的效率及优缺点，从而了解虚拟存储实现的过程。
二、总体设计
1、编写函数计算并输出下述各种算法的命中率
1OPT页面置换算法
OPT所选择被淘汰的页面是已调入内存，且在以后永不使用的，或是在最长时间内不再被访问的页面。
因此如何找出这样的页面是该算法的关键。
可为每个页面设置一个步长变量，其初值为一足够大的数，对于不在内存的页面，将其值重置为零，对于位于内存的页面，其值重置为当前访问页面与之后首次出现该页面时两者之间的距离，因此该值越大表示该页是在最长时间内不再被访问的页面，可以选择其作为换出页面。
2FIFO页面置换算法
FIFO总是选择最先进入内存的页面予以淘汰，因此可设置一个先进先出的忙页帧队列，新调入内存的页面挂在该队列的尾部，而当无空闲页帧时，可从该队列首部取下一个页帧作为空闲页帧，进而调入所需页面。
3LRU页面置换算法
LRU是根据页面调入内存后的使用情况进行决策的，它利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。
该算法主要借助于页面结构中的访问时间time来实现，time记录了一个页面上次的访问时间，因此，当须淘汰一个页面时，选择处于内存的页面中其time值最小的页面，即最近最久未使用的页面予以淘汰。
4LFU页面置换算法
LFU要求为每个页面配置一个计数器（即页面结构中的counter），一旦某页被访问，则将其计数器的值加1，在需要选择一页置换时，则将选择其计数器值最小的页面，即内存中访问次数最少的页面进行淘汰。
5NUR页面置换算法
NUR要求为每个页面设置一位访问位（该访问位仍可使用页面结构中的counter表示），当某页被访问时，其访问位counter置为1。
需要进行页面置换时，置换算法从替换指针开始（初始时指向第一个页面）顺序检查处于内存中的各个页面，如果其访问位为0，就选择该页换出，否则替换指针下移继续向下查找。
如果内存中的所有页面扫描完毕未找到访问位为0的页面，则将替换指针重新指向第一个页面，同时将内存中所有页面的访问位置0，当开始下一轮扫描时，便一定能找到counter为0的页面。
2、在主函数中生成要求的指令序列，并将其转换成页地址流；在不同的内存容量下调用上述函数使其计算并输出相应的命中率。
三、实验步骤（包括主要步骤、代码分析等）
主要步骤：
、通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。
其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：
A.在[0，319]的指令地址之间随机选区一起点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A—E，直到执行320次指令。
2、指令序列变换成页地址流，设：
①页面大小为1K；
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，按每页存放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。
3、计算并输出下述各种算法（可任选两个）在不同内存容量下的命中率。
A.FIFO先进先出置换算法；
B.LRU最近最久未使用置换算法；
C.OPT最佳置换算法：
先淘汰最不常用的页地址；
D.NUR最近未使用置换算法；
E.LFU最少使用置换算法。
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。
代码分析：
1、主函数main.cpp的代码：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
usingnamespacestd;
#defineINVALID-1
constintTOTAL_INSTRUCTION（320）;
constintTOTAL_VP（32）;
constintCLEAR_PERIOD（50）;
#include"Page.h"
#include"PageControl.h"
#include"Memory.h"
intmain（）
{
inti;
CMemorya;
for（i=4;i<=32;i++）
{
cout<a.OPT（i）;
a.FIFO（i）;
a.LRU（i）;
cout<<"\n";
}
return0;
}
2、主函数中用到的头文件”Page.h”,”PageControl.h”,”Memory.h”的代码：
Page.h:
#ifndef_PAGE_H
#define_PAGE_H
classCPage//页面结构
{
public:
intm_nPageNumber,//页面号
m_nPageFaceNumber,//页帧号
m_nCounter,//一个周期内访问该页面的次数
m_nTime;//访问时间
};
#endif
PageControl.h:
#ifndef_PAGECONTROL_H
#define_PAGECONTROL_H
classCPageControl//页帧控制结构
{
public:
intm_nPageNumber,m_nPageFaceNumber;
classCPageControl*m_pNext;
};
#endif
Memory.h:
#ifndef_MEMORY_H
#define_MEMORY_H
classCMemory
{
public:
CMemory（）;
voidinitialize（constintnTotal_pf）;
voidOPT（constintnTotal_pf）;
voidFIFO（constintnTotal_pf）;
voidLRU（constintnTotal_pf）;
private:
vector_vDiscPages;
vector_vMemoryPages;
CPageControl*_pFreepf_head,*_pBusypf_head,*_pBusypf_tail;
vector_vMain,_vPage,_vOffset;
int_nDiseffect;
};
CMemory:
:
CMemory（）:
_vDiscPages（TOTAL_VP）,
_vMemoryPages（TOTAL_VP）,
_vMain（TOTAL_INSTRUCTION）,
_vPage（TOTAL_INSTRUCTION）,
_vOffset（TOTAL_INSTRUCTION）
{
intS,i,nRand;
srand（getpid（）*10）;
nRand=rand（）%32767;
S=（float）319*nRand/32767+1;
for（i=0;i{
_vMain[i]=S;
_vMain[i+1]=_vMain[i]+1;
nRand=rand（）%32767;
_vMain[i+2]=（float）_vMain[i]*nRand/32767;
_vMain[i+3]=_vMain[i+2]+1;
nRand=rand（）%32767;
S=（float）nRand*（318-_vMain[i+2]）/32767+_vMain[i+2]+2;
}
for（i=0;i{
_vPage[i]=_vMain[i]/10;
_vOffset[i]=_vMain[i]%10;
_vPage[i]%=32;
}
}
voidCMemory:
:
initialize（constintnTotal_pf）
{
intix;
_nDiseffect=0;
for（ix=0;ix<_vDiscPages.size（）;ix++）
{
_vDiscPages[ix].m_nPageNumber=ix;
_vDiscPages[ix].m_nPageFaceNumber=INVALID;
_vDiscPages[ix].m_nCounter=0;
_vDiscPages[ix].m_nTime=-1;
}
for（ix=1;ix{
_vMemoryPages[ix-1].m_pNext=&_vMemoryPages[ix];
_vMemoryPages[ix-1].m_nPageFaceNumber=ix-1;
}
_vMemoryPages[nTotal_pf-1].m_pNext=NULL;
_vMemoryPages[nTotal_pf-1].m_nPageFaceNumber=nTotal_pf-1;
_pFreepf_head=&_vMemoryPages[0];
}
voidCMemory:
:
OPT（constintnTotal_pf）/*最佳页面置换算法*/
{
inti,j,max,maxpage,d,dist[TOTAL_VP];
initialize（nTotal_pf）;
for（i=0;i{
if（_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID）/*页面失效*/
{
_nDiseffect++;
if（_pFreepf_head==NULL）/*无空闲页面*/
{
for（j=0;j{
if（_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber!
=INVALID）//所有位于内存页面的距离变量赋一足够大的数
dist[j]=32767;
else//不在内存的页面该变量则置为0
dist[j]=0;
}
d=1;
/*对于位于内存且在当前访问页面之后将再次被访问的页面，dist重置为当前页面与之后首次出现该页面时两者之间的距离*/
for（j=i+1;j{
if（_vDiscPages[_vPage[j]].m_nPageFaceNumber!
=INVALID&&dist[_vPage[j]]==32767）
dist[_vPage[j]]=d;
d++;
}
max=-1;
//查找dist变量值最大的页面作为换出页面
for（j=0;j{
if（maxmax=dist[j];
maxpage=j;
}
}
_pFreepf_head=&_vMemoryPages[_vDiscPages[maxpage].m_nPageFaceNumber];//腾出一个单元
_pFreepf_head->m_pNext=NULL;
_vDiscPages[maxpage].m_nPageFaceNumber=INVALID;
}
_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFaceNumber;//有空闲页面,改为有效
_pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext;//减少一个free页面
}
}
cout<<"OPT:
"<<1-（float）_nDiseffect/320;
//printf（"OPT:
%6.4f",1-（float）diseffect/320）;
}
voidCMemory:
:
FIFO（constintnTotal_pf）
{
inti;
CPageControl*p;
initialize（nTotal_pf）;
_pBusypf_head=_pBusypf_tail=NULL;
for（i=0;i{
if（_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID）
{
_nDiseffect+=1;
if（_pFreepf_head==NULL）//无空闲页面
{
p=_pBusypf_head->m_pNext;
_vDiscPages[_pBusypf_head->m_nPageNumber].m_nPageFaceNumber=INVALID;
_pFreepf_head=_pBusypf_head;
_pFreepf_head->m_pNext=NULL;
_pBusypf_head=p;
}
p=_pFreepf_head->m_pNext;
_pFreepf_head->m_pNext=NULL;
_pFreepf_head->m_nPageNumber=_vPage[i];
_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFaceNumber;
if（_pBusypf_tail==NULL）
_pBusypf_head=_pBusypf_tail=_pFreepf_head;
else
{
_pBusypf_tail->m_pNext=_pFreepf_head;
_pBusypf_tail=_pFreepf_head;
}
_pFreepf_head=p;
}
}
cout<<"\tFIFO:
"<<1-（float）_nDiseffect/320;
}
voidCMemory:
:
LRU（constintnTotal_pf）
{
inti,j,nMin,minj,nPresentTime（0）;
initialize（nTotal_pf）;
for（i=0;i{
if（_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID）
{
_nDiseffect++;
if（_pFreepf_head==NULL）
{
nMin=32767;
for（j=0;j//aftertherecycleiMinisthenumberoftimes
//usedoftheleastusedpagewhileminjisitssubscribe
if（nMin>_vDiscPages[j].m_nTime&&_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber!
=INVALID）
{
nMin=_vDiscPages[j].m_nTime;
minj=j;
}
_pFreepf_head=&_vMemoryPages[_vDiscPages[minj].m_nPageFaceNumber];
_vDiscPages[minj].m_nPageFaceNumber=INVALID;
_vDiscPages[minj].m_nTime=-1;
_pFreepf_head->m_pNext=NULL;
}
_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFaceNumber;
_vDiscPages[_vPage[i]].m_nTime=nPresentTime;
_pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext;
}
else
_vDiscPages[_vPage[i]].m_nTime=nPresentTime;
nPresentTime++;
}
cout<<"\tLRU:
"<<1-（float）_nDiseffect/320;
}
#endif
四、结果分析与总结
实验运行结果，如图：
总结：
从上述结果可知，随着内存页面数的增加，三种算法的访问命中率逐渐增大。
在内存页面数为4~25个页面之间时，三种算法的命中率大致在56%至88%之间变化，但是，OPT算法和其他两种算法之间的差别一般在6~12个百分点左右。
在内存页面为25~32个页面时，由于用户进程的所有指令基本上都已装入内存，从而命中率增加较大，各种算法之间的差别不大。
比较上述三种算法，OPT算法的命中率最高，LRU算法和FIFO算法的命中率则较为接近。
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