操作系统存储管理董迎顺.docx
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操作系统存储管理董迎顺
实验四存储管理
【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技术特点，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。
【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：
①50%的指令是顺序执行的；
②50%的指令是均匀分布在前地址部分；
③50%的指令是均匀分布在后地址部分。
具体的实施方法是：
①在[0，319]的指令之间随即选取一起点m;
②顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令；
③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′；
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；
⑥重复上述步骤①-⑤，直到执行320次指令。
（2）将指令序列变换为页地址流
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k存放10条指令排在虚存地址，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条指令为第一页（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在不同内存容量下的命中率。
①先进先出的算法（FIFO）；
②最近最少使用算法（LRR）；
③最佳淘汰算法（OPT）先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）。
其中③和④为选择内容。
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。
【实验指导】
随机数产生办法，Linux或UNIX系统提供函数strand（）和rand（）,分别进行初始化和产生随机数。
例如：
srand（）;
语句可初始化一个随机数；
a[0]=10*rand（）/65535*319+1;
a[1]=10*rand（）/65535*a[0];
语句可用来产生a[0]与a[1]中的随机数。
<任务>
设计一个虚拟存储区和内存工作区,并使用下列算法计算访问命中率.
（1）进先出的算法（FIFO）
（2）最近最少使用的算法（LRU）
（3）最佳淘汰算法（OPT）
（4）最少访问页面算法（LFU）
（5）最近最不经常使用算法（NUR）
命中率=（1-页面失效次数）/页地址流长度
<程序设计〉
本实验的程序设计基本上按照实验内容进行。
即首先用srand（）和rand（）函数定义和产生指令序列，然后将指令序列变换成相应的页地址流，并针对不同的算法计算出相应的命中率。
相关定义如下：
1数据结构
（1）页面类型
typedefstruct{
intpn,pfn,counter,time;
}pl-type;
其中pn为页号,pfn为面号,counter为一个周期内访问该页面的次数,time为访问时间.
（2）页面控制结构
pfc-struct{
intpn,pfn;
structpfc_struct*next;
}
typedefstructpfc_structpfc_type;
pfc_typepfc_struct[total_vp],*freepf_head,*busypf_head;
pfc_type*busypf_tail;
其中pfc[total_vp]定义用户进程虚页控制结构,
*freepf_head为空页面头的指针,
*busypf_head为忙页面头的指针,
*busypf_tail为忙页面尾的指针.
2．函数定义
（1）Voidinitialize（）:
初始化函数,给每个相关的页面赋值.
（2）VoidFIFO（）:
计算使用FIFO算法时的命中率.
（3）VoidLRU（）:
计算使用LRU算法时的命中率.
（4）VoidOPT（）:
计算使用OPT算法时的命中率.
（5）VoidLFU（）:
计算使用LFU算法时的命中率.
（6）VoidNUR（）:
计算使用NUR算法时的命中率.
3.变量定义
（1）inta[total_instruction]:
指令流数据组.
（2）intpage[total_instruction]:
每条指令所属的页号.
（3）intoffset[total_instruction]:
每页装入10条指令后取模运算页号偏移值.
（4）inttotal_pf:
用户进程的内存页面数.
（5）intdisaffect:
页面失效次数.
4.程序参考源码及结果
<程序>
#defineTRUE1
#defineFALSE0
#defineINVALID-1
#defineNULL0
#definetotal_instruction320/*指令流长*/
#definetotal_vp32/*虚页长*/
#defineclear_period50/*清0周期*/
typedefstruct/*页面结构*/
{
intpn;//页号logicnumber
intpfn;//页面框架号physicalframenumber
intcounter;//计数器
inttime;//时间
}pl_type;
pl_typepl[total_vp];/*页面线性结构---指令序列需要使用地址*/
typedefstructpfc_struct/*页面控制结构，调度算法的控制结构*/
{
intpn;
intpfn;
structpfc_struct*next;
}pfc_type;
pfc_typepfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;
intdiseffect,a[total_instruction];/*a[]为指令序列*/
intpage[total_instruction],offset[total_instruction];/*地址信息*/
intinitialize（int）;
intFIFO（int）;
intLRU（int）;
intLFU（int）;
intNUR（int）;//notuserecently
intOPT（int）;
intmain（）
{
ints,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{
if（s<0||s>319）
{
printf（"Wheni==%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],anumberwhichis:
%dands==%d\n",i,a[i+2],s）;
}
for（i=0;i{
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（"---%2dpageframes---\n",i）;
FIFO（i）;
LRU（i）;
LFU（i）;
NUR（i）;
OPT（i）;
}
return0;
}
/*初始化相关数据结构total_pf表示内存的块数*/
intinitialize（inttotal_pf）
{
inti;
diseffect=0;
for（i=0;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{
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]*/
return0;
}
intFIFO（inttotal_pf）/*先进先出算法total_pf:
用户进程的内存页面数*/
{
inti,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{
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\n",1-（float）diseffect/320）;
return0;
intLRU（inttotal_pf）/*最近最久未使用算法leastrecentlyused*/
{
intmin,minj,i,j,present_time;/*minj为最小值下标*/
initialize（total_pf）;
present_time=0;
for（i=0;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{
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\n",1-（float）diseffect/320）;
return0;
}
intNUR（inttotal_pf）/*最近未使用算法NotUsedrecentlycount表示*/
{
inti,j,dp,cont_flag,old_dp;
pfc_type*t;
initialize（total_pf）;
dp=0;
for（i=0;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;jpl[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;jpl[j].counter=0;
}
printf（"NUR:
%6.4f\n",1-（float）diseffect/320）;
return0;
}
intOPT（inttotal_pf）/*最佳置换算法*/
{
inti,j,max,maxpage,d,dist[total_vp];
pfc_type*t;
initialize（total_pf）;
for（i=0;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{
if（pl[j].pfn!
=INVALID）
dist[j]=32767;
else
dist[j]=0;
}
for（j=0;j{
if（（pl[j].pfn!
=INVALID）&&（dist[j]==32767））
{
dist[j]=j;
}
}
max=0;
for（j=0;jif（max{
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）;
return0;
}
/*该算法时根据已知的预测未知的，leastfrequencyUsed是最不经常使用置换法*/
intLFU（inttotal_pf）
{
inti,j,min,minpage;
pfc_type*t;
initialize（total_pf）;
for（i=0;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{
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\n",1-（float）diseffect/320）;
return0;
长春大学计算机科学技术学院实验报告
日期____2016-6-6_____地点____综D703_____指导教师____王艳柏_____成绩
姓名__董迎顺__学号041440516
实验四存储管理
一、程序代码解析
1、试调试实验指导中的源程序，并写出实验结果并对结果进行分析
二、思考题
1、为什么要引入动态重定位？
如何实现？
答:
连续分配方式容易造成内存很多小分区（零头）无法使用，有必要进行“紧凑”，而这又会造成程序的物理地址改变，因此要进行动态重定位，即重新计算逻辑地址到物理地址的映射。
实现方法是：
为了不因重定位而影响效率，需要硬件支持，可在CPU中增加一个重定位寄存器，用它来存放程序在内存中的起始物理地址，程序在执行时，真正访问的内存地址是逻辑地址与重定位寄存器中的物理地址相加而形成的。
2、在请求分页系统中，应从何处将所需页面调入内存？
答:
外存分为文件区和对换区（对换区可认为就是以页面形式组织的虚拟内存区），若系统有足够的对换区空间，可在进程运行前，将与该进程有关的文件拷贝到对换
区，需要时从对换区调入；
若系统缺少足够的对换区空间，则凡是不会被修改的文件，可直接从文件区调入，需换出时，便须调到对换区，以后需要时再从对换区调入.
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