操作系统实验报告2.docx
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操作系统实验报告2
Nachos虚存实验报告
一、实验名称：
Nachos虚存
二、实验目的：
本实验牵涉到Nachos虚存子系统的部分实现，也是第一次用到Nachos的虚拟机。
测试代码是一组覆盖了绝大部分虚存空间的数组操作，该虚存空间被映射到20个物理页中。
地址转换和页表结构已给出。
本实验的目的是要实现缺页处理程序，这需要在适当的时候将某些页面替换出/入。
为了减少缺页和将页面从内存淘汰到磁盘的次数，要求实现以下五种页面替换算法：
ØNRU（NotRecentlyUsed）算法
ØSC（SecondChance）算法
ØClock算法
ØWorkingSet算法
ØAging算法
三、实验步骤
1.预备
（1）素材：
本实验的源代码是/home/nachos/mp3.tar文件。
复制到本地目录后解包，要在userprog子目录下工作，也需阅读文件filesys/filesys.h，filesys/openfile.h，machine/translate.h，machine/timer.h，和bin/noff.h。
本实验需修改文是memmanager.h和memmanager.cpp。
（2）分析代码：
每个地址空间都有相应的页表，页表中的每一项称为页表条目。
在本实验中，我们会牵涉到其中的三个主要字段：
USE、DIRTY和VALID，它们在machine/translate.h中有详细描述。
AddrSpace结构包含了Nachos进程地址空间的所有信息：
页表、页表长度等，以及操作地址空间的函数。
当创建了一个新的进程时，该结构也就随之产生并初始化。
所提供的代码已实现了页面调度机制，在该机制中，仅在一个执行进程访问页面时，才将它从可执行的源文件中读入物理内存。
所以，在进程刚创建时，页表中的所有条目都是初始化为无效的（所有页表条目的有效位都置为false）。
然而，访问这样的页面（不属于任何程序段）一般来说是不合法的。
当初始化一个页表时，要生成一个报告，该报告说明哪些页面的访问是合法的，而哪些页面的访问是不合法的（Legal字段）。
每个可执行程序都以一个头开始，它指定程序中所有程序段的虚存范围。
开始时，调用AddrSpace:
:
ReadSourcePage（）函数来从可执行文件中读一个页面到物理内存。
注意，该函数仅在进程第一次访问虚页时调用。
至于后续的访问，如果页面不在物理内存中，则搜索替换文件而不是源文件。
替换文件由类似与MainMemory的内存帧组成，只不过它们存储在磁盘上。
一组称为“SwapOwners”的TranslationEntry指针用来跟踪指向替换文件中页面的页表条目，一个类似的结构“CoreOwners”则用来跟踪指向内存中页面的页表条目。
在执行阶段，仿真程序将在TranslationEntrys中设置适当的位，如：
当出现写操作时置DIRTY=TRUE、当出现写或读操作时置USE=TRUE。
如果仿真器处理了这样一个TranslationEntry中的存储器请求：
LEGAL=TRUE但VALID=FALSE，它将自陷到MemManager:
:
faultIn（）中去，这就是你要实现的地方：
给定缺页的TranslationEntry，用PageIn（）、PageOut（）以及你要实现的将适当的缓冲页面调入物理页的方法，更新TranslationEntry并将控制权返回给虚拟机。
阅读代码MemManager:
:
PageFaultExceptionHandler（），它由ExceptionHandler（）在接收到一个缺页异常时调用。
关于如何实现MemManager:
:
faultIn（）的一些细节和几点提示都以注释的方式在MemManager:
:
PageFaultExceptionHandler（）中给出。
注意：
在此函数中，程序计数器的值不应加一。
在处理完异常且控制权返回给缺页进程后，引起缺页的那条指令将重新执行。
2.页面替换算法的实现
本次实验对页面替换算法的实现主要是通过一个MemManagerr类来实现的，类中主要的函数有以下几个：
●faultIn是“handler”，而其它各种方法则聚合成了重要的功能：
●PageOut负责将页面写到备份存储中，它只处理脏页，因为其它的页面已在备份存储中或是与原始状态相比没有变化，所以其它的页面可以覆盖它；
●PageIn负责将页面读入指定的物理页，若该页不在备份存储中，则从原始文件中装载；
●MakeFreeFrame负责在没有空闲页时用适当的页面替换算法来选择一个牺牲页；
●doUpdation是一个定时中断处理程序（在memmanager.cc文件中），它修改translationEntries中适当的位来更新历史信息。
整个实验修改的代码如下所示：
（红色部分为修改的代码）
intMemManager:
:
makeFreeFrame（）
{
//victimisthenumberofthephysicalpagetobeswappedout
intvictim=0;
switch（policy）
{
casePAGEREPL_NRU:
//4.4.2-NotRecentlyUsed
{
#ifdefCHANGE
inti;
boolfind=false;
for（i=0;（i!
=NumPhysPages）&&（!
find）;i++）
{
if（（!
coreOwners[i]->use）&&（!
coreOwners[i]->dirty））
{
victim=i;
find=true;
}
}
for（i=0;（i!
=NumPhysPages）&&（!
find）;i++）
{
if（（!
coreOwners[i]->use）&&（coreOwners[i]->dirty））
{
victim=i;
find=true;
}
}
for（i=0;（i!
=NumPhysPages）&&（!
find）;i++）
{
if（（coreOwners[i]->use）&&（!
coreOwners[i]->dirty））
{
victim=i;
find=true;
}
}
#endif
break;
}
casePAGEREPL_FIFO:
//4.4.3-FIFO
{
int*ptr=fifoList->Remove（）;
victim=*ptr;
#ifdefCHANGE
if（ptr!
=NULL）
deleteptr;
#endif
break;
}
casePAGEREPL_SC:
//4.4.4-SecondChance
{
#ifdefCHANGE
int*ptr=fifoList->Remove（）;
while（coreOwners[*ptr]->use）
{
coreOwners[*ptr]->use=false;
fifoList->Append（ptr）;
ptr=fifoList->Remove（）;
}
victim=*ptr;
if（ptr!
=NULL）
deleteptr;
#endif
break;
}
casePAGEREPL_CLOCK:
//4.4.5-Clock
{
#ifdefCHANGE
while（coreOwners[clock_hand]->use）
{
coreOwners[clock_hand]->use=false;
clock_hand=（clock_hand+1）%NumPhysPages;
}
victim=clock_hand;
clock_hand=（clock_hand+1）%NumPhysPages;
#endif
break;
}
casePAGEREPL_WS:
//4.4.8-WorkingSet
{
intv_timestamp=stats->totalTicks;
#ifdefCHANGE
for（inti=0;i!
=NumPhysPages;i++）
{
if（coreOwners[i]->timeStamp{
v_timestamp=coreOwners[i]->timeStamp;
victim=i;
}
}
#endif
break;
}
casePAGEREPL_AGING:
//4.4.7-Aging
{
unsignedintv_bitmask=0xFFFF;
#ifdefCHANGE
for（inti=0;i!
=NumPhysPages;i++）
{
if（history[i]{
v_bitmask=history[i];
victim=i;
}
}
#endif
break;
}
voidMemManager:
:
doUpdation（intarg）
{
inti;
//MP3-makeanyneededchangestothisfunction
if（someVerbose）
printf（"（update）%c",（++formatCount%5==0?
'\n':
','））;
switch（policy）
{
casePAGEREPL_NRU:
//NotRecentlyUsedSection4.4.2
{
#ifdefCHANGE
inti;
for（i=0;i!
=NumPhysPages;i++）
{
if（coreFreeMap->Test（i））
coreOwners[i]->use=false;
}
#endif
break;
}
casePAGEREPL_AGING:
//AgingSection4.4.7
{
#ifdefCHANGE
for（i=0;i!
=NumPhysPages;i++）
{
if（coreFreeMap->Test（i））
{
history[i]=history[i]>>1;
if（coreOwners[i]->use）
{
history[i]=history[i]|（1<<（hbits-1））;
coreOwners[i]->use=FALSE;
}
}
}
#endif
break;
}
//thefollowingdon'tusethetimerinterrupt
casePAGEREPL_FIFO:
//notused
casePAGEREPL_SC:
//notused
casePAGEREPL_CLOCK:
//notused
casePAGEREPL_WS:
//notused
default:
break;
}//endswitch
return;
}
voidMemManager:
:
pageIn（TranslationEntry*PTEntry,intphysFrame）
{
………………………………
//MP3-youneedtomakechangestothehistorykeepingalgorithmshere
//FIFOandSecondChancehavebeenimplementedforyou
switch（policy）
{
casePAGEREPL_FIFO:
//4.4.3-FIFO
casePAGEREPL_SC:
//4.4.4-SC
{
int*ptr=newint;
*ptr=physFrame;
fifoList->Append（ptr）;
break;
}
casePAGEREPL_AGING:
//4.4.7-AGING
{
#ifdefCHANGE
history[physFrame]=bitmask;
#endif
break;
}
casePAGEREPL_NRU:
//4.4.2-NRU
casePAGEREPL_CLOCK:
//4.4.5-CLOCK
casePAGEREPL_WS:
//4.4.8-WS
default:
break;
}
return;
}
（1）NRU算法的实现：
此算法是用R位和M位来构造的，R位在每次时间中断是被清零，以区别最近没有被访问和被访问的页面，在系统中，R位和M位分别对应TranslationEntrys中的use和dirty字段，每次中断时，系统会调用doUpdation来进行中断处理，因此我们必须在doUpdation中将内存中所有页面的R位清零，也就是将use字段设为false。
具体实现是在switch语句中的casePAGEREPL_NRU中加入：
inti;
for（i=0;i!
=NumPhysPages;i++）
{
if（coreFreeMap->Test（i））
coreOwners[i]->use=false;
}
要注意的是，在设置use字段时，如果此时coreOwners[i]指向的内存页面为空就会发生严重的错误，所以我们必须在设置之前加入一个判断语句if（coreFreeMap->Test（i）），通过测试空闲位图的第i位（0为空，1为非空），来判断此页是否为空。
当页面发生失效时，根据页面的R位和M位将其分为4类：
●第0类：
use=false，dirty=false
●第1类：
use=false，dirty=true
●第2类：
use=true，dirty=false
●第3类：
use=true，dirty=true
我们将从最小编号的非空类中，选择第一个页面将其淘汰，具体实现是在makeFreeFrame中switch语句的casePAGEREPL_NRU中加入3个for循环：
inti;
boolfind=false;
for（i=0;（i!
=NumPhysPages）&&（!
find）;i++）
{
if（（!
coreOwners[i]->use）&&（!
coreOwners[i]->dirty））
{
victim=i;
find=true;
}
}
for（i=0;（i!
=NumPhysPages）&&（!
find）;i++）
{
if（（!
coreOwners[i]->use）&&（coreOwners[i]->dirty））
{
victim=i;
find=true;
}
}
for（i=0;（i!
=NumPhysPages）&&（!
find）;i++）
{
if（（coreOwners[i]->use）&&（!
coreOwners[i]->dirty））
{
victim=i;
find=true;
}
}
这三个for循环依次寻找第0，1，2类页面，如果找到符合条件的页面，victim的值被置为i，即符合条件的页面号，此页面将被置换掉，同时将find变量置为true，之后的循环便不再执行。
当三个for循环执行完后，仍未找到符合条件的页面，那么所有页面都属于第3类，victim的值是默认的0，即第一个页面。
在实现这个算法的过程中，我曾考虑过用两个循环来实现，第一个循环检查每一类中是否有符合条件的页面，第二个循环在最小类中寻找一个符合条件的页面，由于在第一个循环中，无论编号较小的类中是否有页面，循环都必须继续，平均代价比三个for循环更大，所以最终决定用三个for循环来实现。
（2）SC算法的实现：
SC算法只是对FIFO算法进行简单的修改：
检查最老页面的use字段，如果为false，就置换此页面；如果为true，就将它置为false，并将此页面放到FIFO列表的末端。
具体实现是在makeFreeFrame中switch语句的casePAGEREPL_SC中加入：
int*ptr=fifoList->Remove（）;
while（coreOwners[*ptr]->use）
{
coreOwners[*ptr]->use=false;
fifoList->Append（ptr）;
ptr=fifoList->Remove（）;
}
victim=*ptr;
if（ptr!
=NULL）
deleteptr;
我们用fifoList->Remove（）取出FIFO链表头的页面号，即最老的页面号，用一个int指针指向该页面号，并判断该页面的use字段，如果为true，就将它置为false，并就调用fifoList->Append（ptr）函数将此页面号插入到FIFO链表的末端，继续取下一个链表头的页面号；如果为false，就将此页面号赋给victim，将此页面置换掉。
最后将ptr指针指向的内存区域清空。
（3）CLOCK算法的实现：
Clock算法和SC算法的区别仅是实现上的不同，它将所有页面保存在一个类似钟面的环形链表中，用一个指针指向最老的页面，以减少SC算法在链表中移动页面的代价。
我们用coreOwners数组和求模操作来模拟环形链表，用一个clock_hand的正型变量来模拟表针。
具体实现是在makeFreeFrame中switch语句的casePAGEREPL_CLOCK中加入：
while（coreOwners[clock_hand]->use）
{
coreOwners[clock_hand]->use=false;
clock_hand=（clock_hand+1）%NumPhysPages;
}
victim=clock_hand;
clock_hand=（clock_hand+1）%NumPhysPages;
clock_hand的值初始化为0，我们先判断第一个页面的use字段，如果true，表示它最近被使用到，将use设为false，并将clock_hand的值置为（clock_hand+1）%NumPhysPages，进入下一次循环。
这里的求模操作是一个关键，它保证了clock_hand的值在0到NumPhysPages之间循环，类似于一个表针。
如果clock_hand所指的页面use字段为false，循环结束，将victim的值赋为clock_hand，此页面将被置换掉，并将表针向前移动一格，也就是将clock_hand的值设为（clock_hand+1）%NumPhysPages。
（4）WorkingSet算法的实现：
这个算法中，我们认为最早被访问的那个页面不在工作集中，将它置换出去，也就是说，我们要在内存中寻找最后一次访问时间最小的那个页面。
页面中与最后访问时间相对应的是timeStamp字段，每次访问一个页面时，timeStamp都会被更新为访问时的时间。
具体实现是在makeFreeFrame中switch语句的casePAGEREPL_WS中加入：
for（inti=0;i!
=NumPhysPages;i++）
{
if（coreOwners[i]->timeStamp{
v_timestamp=coreOwners[i]->timeStamp;
victim=i;
}
}
v_timestamp的初始值是当前系统时间，所有页面的最后访问时间都小于当前系统时间，所以可以将v_timestamp作为一个临时变量，在遍历所有页面的时候储存最小的最后访问时间，我们用一个for循环遍历内存中的所有页面，并将每个页面的timeStamp与v_timestamp比较，如果小于v_timestamp，就将v_timestamp的值设为当前页面的timeStamp，并将victim的值置为当前页面号。
这样，当遍历完所有页面时，v_timestamp值为所有页面的timeStamp的最小值，而victim的值也恰好是最小timeStamp值对应的页面，此页面将被置换出去。
（5）Aging算法的实现：
在此算法中，每一个内存页面都分配了一个特定位数的计数器，每次时钟中断时，将所有计数器值右移一位，然后将计数器的最高位设为R位的值，发生页面失效时，淘汰计数器值最小的页面。
用一个无符号整形变量来表示一个计数器，无符号整形数组history的每一项代表一个页面的计数器，我们需要在调入页面的时候初始化计数器的值，具体实现是在pageIn的switch语句的casePAGEREPL_AGING中加入：
history[physFrame]=bitmask;
整形变量bitmask的值为（1<因为我们要置换的是计数器值最小的页面，所以在页面刚刚调入时，我们必须将其计数器的值初始化为最大值，如果初始化为0，有可能出现页面刚刚被调入，又立刻被置换出去的情况，不符合要求。
每次时间中断时，我们必须将计数器右移一位，将指定位数的计数器最高位设为页面的R位，即use字段，并将所有页面的use字段设为false。
具体实现是在doUpdations的witch语句中的casePAGEREPL_AGING加入：
for（i=0;i!
=NumPhysPages;i++）
{
if（coreFreeMap->Test（i））
{
history[i]=history[i]>>1;
if（coreOwners[i]->use）
{
history[i]=history[i]|（1<<（hbits-1））;
coreOwners[i]->use=FALSE;
}
}
}
我们用一个for循环遍历内存的每个页面。
在对计数器修改之前，要先判断页面是否为空，如果为空，我们并不需要修改它的计数器。
如果不为空，我们用history[i]=history[i]>>1将其计数器的值右移一位。
然后，我们继续判断该页面的use字段，如果为false，无需改变，因为右移一位后，最高位
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