计算机操作系统 银行家页面置换先进先出.docx
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计算机操作系统银行家页面置换先进先出
《计算机操作系统》实验要求
为了顺利完成操作系统课程实验,应做到:
(1)实验前,认真学习教材以及实验要求的相关内容,提前做好实验准备。
(2)实验结束后三天内提交实验报告的电子版和打印版。
实验报告内容应包括:
实验目的、实验内容、设计思路和流程框图,主要程序代码、测试结果以及实验总结。
(实验报告模板见“OS实验模板”)
(3)遵守机房纪律,服从指挥,爱护实验设备。
实验的验收将分为两个部分。
第一部分是上机操作,随机抽查程序运行和即时提问;第二部分是提交书面的实验报告。
要杜绝抄袭现象,一经发现雷同,双方成绩均以0分计算。
实验内容安排:
实验内容与要求
编写程序,模拟某个算法。
实验一和实验二选一,实验三必选
实验一
熟悉进程调度相关内容;根据进程调度算法,选择先来先服务、短进程优先、时间片轮转、高优先权优先调度等算法中的一个,编写算法模拟程序。
实验二
熟悉页面置换相关内容;选择最佳置换算法、先进先出置换算法、LRU置换算法中的一个,编写算法模拟程序。
实验三
熟悉银行家算法,并编写程序进行模拟。
实验一进程调度实验
【开发语言及实现平台或实验环境】
C++/C#
TurboC/MicrosoftVisualStudio6.0/MicrosoftVisualStudio.NET2010
【实验目的】
(1)加深对进程的概念及进程调度算法的理解;
(2)在了解和掌握进程调度算法的基础上,编制进程调度算法通用程序,将调试结果显示在计算机屏幕上,并检测机算和笔算的一致性。
【实验要求】
(1)了解进程调度;
(2)理解利用进程调度算法进行调度的原理;
(3)使用某种编程语言进行算法模拟。
【实验原理】
(注意:
这个仅是个例子,可以参考本例,选择其他算法进行实验)
一、例题:
设计一个有N个进程的进程调度算法。
进程调度算法:
采用最高优先数的调度算法(即把处理机分配给优先数最高的进程)。
每个进程有一个进程控制块(PCB)表示。
进程控制块可以包含如下信息:
进程名、优先数、到达时间、需要运行时间、已用CPU时间、进程状态等等。
进程的优先数及需要的运行时间可以事先人为的指定(也可以由随机数产生)。
进程的到达时间为进程的输入的时间。
进程的运行时间以时间片为单位进行计算。
每个进程的状态可以是就绪W(Wait)、运行R(Run)、或完成F(Finish)三种状态之一。
就绪进程获得CPU后都只能运行一个时间片。
用已占用CPU时间加1表示。
如果运行一个时间片后,进程的已占用CPU时间已达到所需要的运行时间,则撤销该进程,如果运行一个时间片后,进程的已占用CPU时间还未达到所需要的运行时间,也就是进程还需要继续运行,此时应该将进程的优先数减1(即降低一级),然后把它插入就绪队列等待CPU。
每进行一次调度程序都打印一次运行进程、就绪队列、以及各个进程的PCB,以便进行检查。
重复以上过程,直到所要的进程都完成为止。
分析:
使用固定队列与静动态优先级结合每个优先级为0~0xFF,并且以小的数字为高优先级,大的数字为低优先级,每次皆使用循环得到最高优先级的进程并执行,然后将其动态优先级设置为最低,并将其他进程动态优先级提高,以使得每个进程都有机会运行。
进程的优先级与运行时间由随机数产生。
二、代码试例
#include
#include
#include
/*常量和状态定义*/
#definePRO_NUM0x05
#defineMAX_TIME0xFF
/*状态宏*/
#defineWAIT0x01
#defineRUN0x02
#defineFINISH0x03
#defineID_ERROR0x10
#defineMIN_PRIOR0xFF
#defineMAX_PRIOR0x00
typedefunsignedintUint32;
/*进程PCB*/
structPCB_Info
{
Uint32s_id;
Uint32s_static_prior;
Uint32s_dynamic_prior;
Uint32s_start_time;
Uint32s_need_time;
Uint32s_used_time;
Uint32s_state;
};
/*进程队列*/
PCB_Infog_queue[5];
Uint32g_time;
/*模拟进程执行函数*/
voidSimulator();
/*初始化5个进程函数*/
voidInit_Process();
/*初始化进程队列函数*/
voidInit_Queue();
/*创建进程函数*/
Uint32Create_Process(Uint32pri,Uint32needtime);
/*系统运行函数*/
voidRun_Process();
/*得到最高优先级进程ID函数*/
Uint32Get_PriProcess();
/*进程时间片执行函数*/
voidWork_Process(Uint32id);
/*改变进程状态和优先级函数*/
voidChange_Process(Uint32id);
/*打印进程状态函数*/
voidPrint_State();
/*结束系统函数*/
voidEnd_Process();
/*入口函数*/
intmain(intargc,char*argv[])
{
Simulator();
return0;
}
voidSimulator()
{
Init_Process();
Run_Process();
End_Process();
}
voidInit_Process()
{
inti;
Uint32id;
srand((unsigned)time(NULL));
Init_Queue();
for(i=0;i{
/*在这里修改随机数的范围,建议优先级取值为0到4之间,进程工作总时间为1到10之间*/
id=Create_Process(rand()%4,1+rand()%10);
if(id!
=ID_ERROR)
{
printf("**********************************\n");
printf("创建进程成功\n");
printf("进程ID号为:
%d\n",id);
printf("进程的静态优先权为:
%d\n",g_queue[id].s_static_prior);
printf("进程的动态优先权为:
%d\n",g_queue[id].s_dynamic_prior);
printf("进程的到达时间为:
%d\n",g_queue[id].s_start_time);
printf("进程需要时间为:
%d\n",g_queue[id].s_need_time);
printf("进程已用CPU时间为:
%d\n",g_queue[id].s_used_time);
printf("进程的状态为:
%d\n",g_queue[id].s_state);
printf("\n");
}
else
{
printf("创建进程失败\n");
}
}
}
voidInit_Queue()
{
inti;
for(i=0;i{
g_queue[i].s_id=i;
g_queue[i].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR;
g_queue[i].s_need_time=0;
g_queue[i].s_start_time=0;
g_queue[i].s_static_prior=MIN_PRIOR;
g_queue[i].s_used_time=0;
g_queue[i].s_state=FINISH;
}
}
Uint32Create_Process(Uint32pri,Uint32needtime)
{
inti=0;
Uint32id=ID_ERROR;
for(i=0;i{
if(g_queue[i].s_state==FINISH)
{
id=g_queue[i].s_id;
g_queue[i].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR;
g_queue[i].s_need_time=needtime;
g_queue[i].s_start_time=g_time;
g_queue[i].s_state=WAIT;
g_queue[i].s_static_prior=pri;
g_queue[i].s_used_time=0x0;
break;
}
}
returnid;
}
voidRun_Process()
{
Uint32id;
while((id=Get_PriProcess())!
=ID_ERROR)
{
Work_Process(id);
Change_Process(id);
}
}
voidPrint_State()
{
inti;
printf("时间进程ID\t状态已用时间需要时间开始时间静优先级动优先级\n");
for(i=0;i{
printf("%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\n",g_time,g_queue[i].s_id,g_queue[i].s_state,g_queue[i].s_used_time,g_queue[i].s_need_time,
g_queue[i].s_start_time,g_queue[i].s_static_prior,g_queue[i].s_dynamic_prior);
}
}
Uint32Get_PriProcess()
{
Uint32id=ID_ERROR;
inti,prev_id=ID_ERROR;
Uint32prior=MIN_PRIOR*2,temp_prior;
for(i=0;i{
if(g_queue[i].s_state!
=FINISH)
{
temp_prior=g_queue[i].s_dynamic_prior+g_queue[i].s_static_prior;
if(temp_prior<=prior)
{
id=i;
prior=temp_prior;
}
}
}
returnid;
}
voidWork_Process(Uint32id)
{
++g_time;
g_queue[id].s_state=RUN;
++g_queue[id].s_used_time;
Print_State();
}
voidChange_Process(Uint32id)
{
inti;
if(g_queue[id].s_need_time==g_queue[id].s_used_time)
{
g_queue[id].s_state=FINISH;
}
else
{
g_queue[id].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR;
g_queue[id].s_state=WAIT;
}
for(i=0;i{
if((i!
=id)&&(g_queue[i].s_state!
=FINISH))
{
g_queue[i].s_dynamic_prior>0?
--g_queue[i].s_dynamic_prior:
g_queue[i].s_dynamic_prior=0;
}
}
}
voidEnd_Process()
{
printf("所有进程结束状态:
\n");
Print_State();
printf("所有进程已经结束!
\n");
}
实验二请求页式存储管理中常用页面置换算法模拟
【开发语言及实现平台或实验环境】
C++/C#
TurboC/MicrosoftVisualStudio6.0/MicrosoftVisualStudio.NET2010
【实验目的】
(1)了解内存分页管理策略
(2)掌握调页策略
(3)掌握一般常用的调度算法
(4)学会各种存储分配算法的实现方法。
(5)了解页面大小和内存实际容量对命中率的影响。
【实验要求】
(1)采用页式分配存储方案,通过分别计算不同算法的命中率来比较算法的优劣,同时也考虑页面大小及内存实际容量对命中率的影响;
(2)实现OPT算法(最优置换算法) 、LRU算法(LeastRecently) 、FIFO算法(FirstINFirstOut)的模拟;
(3)使用某种编程语言模拟页面置换算法。
【实验原理】
分页存储管理将一个进程的逻辑地址空间分成若干大小相等的片,称为页面或页。
在进程运行过程中,若其所要访问的页面不在内存而需把它们调入内存,但内存已无空闲空间时,为了保证该进程能正常运行,系统必须从内存中调出一页程序或数据,送磁盘的对换区中。
但应将哪个页面调出,须根据算法来确定。
通常,把选择换出页面的算法称为页面置换算法。
一个好的页面置换算法,应具有较低的页面更换频率。
从理论上讲,应将那些以后不再会访问的页面换出,或将那些在较长时间内不会再访问的页面调出。
一、最佳置换算法OPT(Optimal)
它是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。
其所选择的被淘汰页面,将是以后永不使用的或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。
采用最佳置换算法,通常可保证获得最低的缺页率。
但由于人目前还无法预知一个进程在内存的若干个页面中,哪一个页面是未来最长时间内不再被访问的,因而该算法是无法实现的,但是可以利用此算法来评价其它算法。
如果编写程序模拟该算法,可以提前设定页面访问次序,获知某个页面是否在未来不再被访问。
二、先进先出(FIFO)页面置换算法
这是最早出现的置换算法。
该算法总是淘汰最先进入内存的页面,即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。
该算法实现简单只需把一个进程已调入内存的页面,按先后次序链接成一个队列,并设置一个指针,称为替换指针,使它总是指向最老的页面。
三、最近最久未使用置换算法
1、LRU(LeastRecentlyUsed)置换算法的描述
FIFO置换算法性能之所以较差,是因为它所依据的条件是各个页面调入内存的时间,而页面调入的先后并不能反映页面的使用情况。
最近最久未使用(LRU)置换算法,是根据页面调入内存后的使用情况进行决策的。
由于无法预测各页面将来的使用情况,只能利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似,因此,LRU置换算法是选择最近最久未使用的页面予以淘汰。
该算法赋予每个页面一个访问字段,用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间t,,当须淘汰一个页面时,选择现有页面中其t值最大的,即最近最久未使用的页面予以淘汰。
2、LRU置换算法的硬件支持
LRU置换算法虽然是一种比较好的算法,但要求系统有较多的支持硬件。
为了了解一个进程在内存中的各个页面各有多少时间未被进程访问,以及如何快速地知道哪一页是最近最久未使用的页面,须有以下两类硬件之一的支持:
1)寄存器
为了记录某个进程在内存中各页的使用情况,须为每个在内存中的页面配置一个移位寄存器,可表示为
R=Rn-1Rn-2Rn-3……R2R1R0当进程访问某物理块时,要将相应寄存器的Rn-1位置成1。
此时,定时信号将每隔一定时间(例如100ms)将寄存器右移一位。
如果我们把n位寄存器的数看作是一个整数,那么具有最小数值的寄存器所对应的页面,就是最近最久未使用的页面。
下图显示了某进程在内存中具有8个页面,为每个内存页面配置一个8位寄存器时的LRU访问情况。
这里,把8个内存页面的序号分别定为1--8。
由图可以看出,第7个内存页面的R值最小,当发生缺页时首先将它置换出去。
R7
R6
R5
R4
R3
R2
R1
R0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
2
1
0
1
0
1
1
0
0
3
0
0
0
0
0
1
0
0
4
0
1
1
0
1
0
1
1
5
1
1
0
1
0
1
1
0
6
0
0
1
0
1
0
1
1
7
0
0
0
0
0
1
1
1
8
0
1
1
0
1
1
0
1
2)栈
可利用一个特殊的栈来保存当前使用的各个页面的页面号。
每当进程访问某页面时,便将页面的页面号从栈中移出,将它压入栈顶。
因此,栈顶始终是最新被访问页面的编号,而栈底则是最近最久未使用的页面的页面号。
【实验步骤】
参考实验步骤如下:
(注意:
这个仅是个例子,可以参考本例,选择其他算法进行实验)
(1)现定义数据结构和全局变量。
#include
#include
#defineM4
#defineN17
#defineMyprintfprintf("|---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---|\n")
/*表格控制*/
typedefstructpage
{intnum;/*记录页面号*/
inttime;/*记录调入内存时间*/
}Page;/*页面逻辑结构,结构为方便算法实现设计*/
Pageb[M];/*内存单元数*/
intc[M][N];/*暂保存内存当前的状态:
缓冲区*/
intqueue[100];/*记录调入队列*/
intK;/*调入队列计数变量*/
(2)初始化内存单元、缓冲区
voidInit(Page*b,intc[M][N])
{inti,j;
for(i=0;i{b[i].num=-1;
b[i].time=N-i-1;}
for(i=0;ifor(j=0;jc[i][j]=-1;
}
(3)取得在内存中停留最久的页面,默认状态下为最早调入的页面*/
intGetMax(Page*b)
{inti;
intmax=-1;
inttag=0;
for(i=0;i{if(b[i].time>max)
{max=b[i].time;
tag=i;}}
returntag;
}
(4)判断页面是否已在内存中*/
intEquation(intfold,Page*b)
{inti;
for(i=0;iif(fold==b[i].num)returni;
return-1;
}
(5)LRU算法
voidLru(intfold,Page*b)
{inti;
intval;
val=Equation(fold,b);
if(val>=0)
{b[val].time=0;
for(i=0;iif(i!
=val)b[i].time++;
}
else
{queue[++K]=fold;/*记录调入页面*/
val=GetMax(b);
b[val].num=fold;
b[val].time=0;
for(i=0;iif(i!
=val)b[i].time++;
}}
(6)主程序
voidmain()
{
inta[N]={1,0,1,0,2,4,1,0,0,8,7,5,4,3,2,3,4};
inti,j;
start:
K=-1;
Init(b,c);
for(i=0;i{Lru(a[i],b);
c[0][i]=a[i];
/*记录当前的内存单元中的页面*/
for(j=0;jc[j][i]=b[j].num;
}
/*结果输出*/
printf("内存状态为:
\n");
Myprintf;
for(j=0;jprintf("|%2d",a[j]);
printf("|\n");
Myprintf;
for(i=0;i{for(j=0;jif(c[i][j]==-1)printf("|%2c",32);
else
printf("|%2d",c[i][j]);
printf("|\n");
}
Myprintf;
printf("\n调入队列为:
");
for(i=0;iprintf("%3d",queue[i]);
printf("\n缺页次数为:
%6d\n缺页率:
%16.6f",K+1,(float)(K+1)/N);
printf("\nAreyoucontinuing!
\ty?
");
if(getche()=='y')gotostart;
}
可以参照以上代码写出FIFO的算法。
实验三银行家算法模拟
【开发语言及实现平台或实验环境】
C++/C#
TurboC/MicrosoftVisualStudio6.0/MicrosoftVisualStudio.NET2010
【实验目的】
(1)理解利用银行家算法避免死锁的问题;
(2)在了解和掌握银行家算法的基础上,编制银行家算法通用程序,将调试结果显示在计算机屏幕上,并检测机算和笔算的一致性。
(3)理解和掌握安全序列、安全性算法
【实验要求】
(1)了解和理解死锁;
(2)理解利用银行家算法避免死锁的原理;
(3)使用某种编程语言模拟该算法。
【实验原理】
一、安全状态
指系统能按照某种顺序如(称为