自使用最近未使用页淘汰NRU算法模拟实现页淘汰进程.docx
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自使用最近未使用页淘汰NRU算法模拟实现页淘汰进程
使用最近未使用页淘汰（NＲU）算法模拟实现页淘汰进程
摘要:
最近未使用页淘汰（NRU）算法或者时钟算法是实际使用的诸多页淘汰算法中的一种。
本课程设计是使用C程序设计语言,在windｏwｓ平台下对页淘汰（ＮRU）算法模拟,通过页淘汰（ＮRU）算法的模拟来进一步的加深对使用NRU算法的了解，及对C程序设计语言的使用。
关键词:
页淘汰ＮＲU时钟算法
一．设计的背景介绍
1.1介绍相关概念，相关算法
页淘汰工作通常是由一个系统进程或线程完成的，该进程称为页淘汰进程。
页淘汰的时机:
当内存空闲页面数低于系统所配置的最小阈值时启动（唤醒）页淘汰的进程，页淘汰进程被启动后就开始不停地选择和淘汰释放页,直到内存的空闲页面数达到系统所配置的最大阈值为止。
此后，页淘汰进程进入睡眠（等待）状态,直到下次因内存空闲页面数少于最小阈值而被再次唤醒（启动）。
最近未使用页淘汰（ＮRU）算法的原理：
①该算法为每个页面设置两个硬件位—访问位和修改位
访问位＝0:
该页尚未被访问过; 访问位=１:
该页已经被访问过
修改位=0：
该页尚未被修改过； 访问位＝１:
该页已经被修改过
②开始时所有页的访问位,修改位都设为０,访问/修改时再置1。
③当页淘汰进程工作时,首先淘汰那些访问位为０的页。
然后，如果还需要继续淘汰（即空闲页面尚未达到最大阈值），则淘汰那些访问位为1但修改位为0的页。
最后如果空闲页面还不够，则淘汰那些修改位为1的页。
④由于大多数页迟早要被访问,故页淘汰进程定期遍历内存页—将每页的访问位都置为０（周期性地对访问位清零）。
这种清除过程类似于时针在时钟面上的运行故NRU算法又称为时钟（clocｋ）算法。
1.２简要介绍设计环境、设计工具
利用VC＋+6.０/TC３．0在Dｏs/Windｏws平台使用最近未使用页淘汰（NRＵ）算法模拟实现页淘汰进程
二．设计思路和总体流程图
２.1 基本思路
以命令行方式运行程序，调用read（）函数读入页面请求队列,按照页面请求队列的先后顺序逐个处理请求页面。
调用nru（）函数通过nru算法选择要淘汰的页面,将其淘汰,调入申请页面,输出相关结果的信息。
2.２数据文件格式说明
第一行为工作集大小（wｎuｍ）
第二行为申请页面的总数（pｎum）；
第三行为页号（paｇeｎum）,修改位（ｍbｉt）中间用＂|"符号隔开;
其余为一个页面请求队列，各行两数分别表示页面申请页号和修改位，程序按请求的先后顺序处理申请页。
用户可根据需要任意修改工作集大小,申请页面的总数，页面请求队列。
文件样例如下:
wnuｍ：
3
pnｕm:
10
pａgｅｎum|ｍbit
11
２ 0
3 １
51
3０
6 1
40
２1
3０
7１
2．3数据结构定义
⑴定义页面请求队列Ｐａge
tｙpedｅf struct
{ inｔｐagｅnum; //页面号
iｎｔmbiｔ; //修改位
}Paｇe;
⑵定义工作集Wspace
tyｐeｄeｆstｒuct
｛ iｎtpagｅnｏ; /／页面号
ﻩintrbｉt; //访问位
ｉｎｔmｂiｔ; //修改位
ﻩinｔ stａtｕs; //该页的标志位,表示是否被占用
}Wsｐａｃe；
⑶其他
inｔｐnum; /／申请页面的总数
int ｗnum； /／工作集大小
inｔb[4]; ／/标志位数组，四个数组元素分别表示工作集内是否存在访问位、修改位分别为00，01，１0，11的页面，初始值为0,当存在时置1
2.4总体流程图
图1.程序总体流程图
２．5根据总体流程图进行模块分割、模块功能说明
本程序共分成2个模块：
⑴文件读入模块:
主要用于读入文件信息,并将文件的内容全部输出,检验读入是否正确。
此模块通过调用rｅaｄ（）函数实现。
⑵主体函数模块：
实现ｎru算法,这是本课程设计的主体模块，通过调用nrｕ（） 函数实现。
调入每个申请页,当工作集满时运用ｎru算法选择要淘汰的页面，将其淘汰。
nｒu（）函数中包括两个子函数priｎｔ（），calｌin（）
●ｐｒint（）函数：
信息输出，主要用于输出相关的结果信息，包括申请页面的页面号、修改位，工作集中的各页页面号、访问位、修改位。
在程序处理完一页后调用此函数，使用户能清楚的了解处理完一个申请页面后工作集的内容。
●caｌlin（）函数:
调入申请页，主要完成四个操作：
申请页面调入；访问位置1,表示被访问；根据请求页面的修改位修改工作集页面的修改位；状态位置１,表示该页已经被占用。
该函数在三种情形下可调用①工作集存在空闲页,调入申请页时;②申请页已在工作集中，修改访问位和修改位时；③工作集满时，需淘汰工作集内的页面，调入申请页时。
三.算法的实现
3．１模块流程图及算法实现
１.文件读入模块
主要用于读入文件信息，并将文件的内容全部输出，检验读入是否正确。
通过rｅａd（）函数实现。
read（）函数流程图如下：
图２.read（ ）函数流程图
具体的程序代码如下:
vｏｉdreaｄ（intargｃ,cｈar＊argｖ[],Page**page，ｉｎt*pnuｍ，int *ｗｎuｍ,Wｓpａcｅ**wｓpace）
{ FILE *file;
chartemp[80];
inti;
if（argc!
=２）exｉt（0）;
ｉｆ（（（ａrgv［1],"r"））==NＵＬL）
{
priｎtf（"reａd\n＂）；
exit（０）;
｝
ｆscanf（fｉlｅ,"%５s％d＂，temp，wnum）;
ｆscanf（filｅ,"%5ｓ %d",ｔeｍp,ｐnuｍ）;
ｆｓcanf（filｅ,＂%s"，ｔeｍp）;
*ｗｓpacｅ=（Ｗspace*）ｍalloc（siｚeoｆ（Ｗspace）**wnｕm）;
*paｇe=（Pａge＊）malloc（sizeof（Page）**pnum）;
fｏr（i=0;i<*wnum;ｉ+＋）
{（*ｗspace）［ｉ].paｇenｏ＝0;（*wsｐace）［i]．rbiｔ=0;（*ｗｓｐａcｅ）［ｉ］.mbit=０;（＊wｓpacｅ）[i].sｔａtus=0；}
／/遍历工作集各页，将各页的页面号,访问位，修改位,状态位置0
printf（"wnuｍ:
％d\n",*ｗnｕm）；
ｐｒｉｎtf（＂ｐnuｍ:
%ｄ\n",*pnum）;
prｉntｆ（"pagenummbｉt\ｎ"）;
for（i=0；i<*pｎｕm;i++）
｛fｓｃaｎf（fｉle,"%d%d",＆（（*ｐage）＋i）->pagenum,＆（（*paｇｅ）+ｉ）->mbｉｔ）；
prｉｎｔf（"%d%ｄ\ｎ",（（*pａｇe）+ｉ）->pagenuｍ，（（*ｐage）＋i）-＞mbiｔ）;｝
fclｏsｅ（ｆiｌe）;
}
2．主体函数模块,通过nru（）函数实现，该函数可分为三部分
图3nru（）函数流程图
（1）第一步,查找申请页面是否已在工作集内，若是则将该页的访问位置１，修改修改位,输出相关信息,处理下一页。
（2）若申请页不在工作集，则进入第二步:
查找工作集是否存在空闲页，若是则调入该申请页，访问位置１,修改修改位,输出相关信息,处理下一页。
（３）若工作集不存在空页,则进入第三步：
运用ＮＲU算法选择需要淘汰的页面，将其淘汰，调入申请页,具体的做法是：
①定义数组b[4],每个数组元素表示一个标志位，初始值均为0。
遍历工作集,如果存在访问位、修改位为０0，０１,10，11的页面,对应地分别将数组的b[0]、ｂ［1]、ｂ[2］、ｂ［3]置1。
此时，因为申请页面不在工作集,工作集也不存在空闲页面,因此,b数组肯定有一个元素为1。
②如果ｂ［0]为1,查找第一个访问位、修改位分别为00的页面，
将其淘汰,调入申请页,访问位置１,遍历工作集各页,将各页的访问位置0,转第③步;
若b[0]为0,则判断：
如果b[1］为1，查找第一个访问位、修改位分别为0１的页面，将其淘汰，调入申请页，访问位置1,遍历工作集各页，将各页的访问位置0,转第③步；
若b［1]为0，则判断：
如果b[２]为１，查找第一个访问位、修改位分别为１０的页面，将其淘汰，调入申请页,访问位置１,遍历工作集各页，将各页的访问位置0,转第③步;
若ｂ[２]也为0,证明b[3]一定为1,此时工作集内各页访问位、修改位均为11，可任意淘汰一页，将其淘汰。
现选择淘汰第０页，调入申请页,遍历工作集各页,将各页的访问位置０,转第③步。
③每处理完一页即调用pｒｉｎt（）函数,将申请页面的页面号、修改位，工作集中的各页面号、访问位、修改位输出,处理下一个申请页。
（4）所有的页面申请页都处理完毕,函数结束,返回。
具体的程序代码如下：
voidnrｕ（Ｐaｇe*pagｅ,Wｓpaｃｅ*ｗspａcｅ,int ｐnｕm,iｎｔwnuｍ,intb[4]）
{inti,ｊ,m,n，k;
ｆor（j=0;ｊ／/j表示申请页面的序号,处理完一次,j自动加１,直至申请页面全部处理完毕
{
foｒ（m＝0;ｍ if（wsｐａcｅ[m]．ｐageｎo＝＝（ｐａge＋ｊ）－>pagenum） ｂreａk;
//查找申请页是否在工作集
if（mﻩ{
callｉｎ（ｐage,wsｐａｃe,m，ｊ）;
pｒｉnt（page,wsｐace，ｊ,wnum）;
ﻩ}
//若在工作集,则将该页调入至此,访问位置１,并输出相关信息
ﻩeｌse
ﻩ{ ｆｏr（k＝0;kﻩ if（wspａce[k］.status==0） bｒeak;
//查找工作集是否存在空闲页
ﻩ ｉｆ（ｋ<ｗnum）
{
callin（page,ｗｓpacｅ,k,ｊ）;
print（pａge，wspaｃe,j,ｗnum）;
ﻩ }
//若存在空闲页,则将该页调入至此,访问位置1，并输出相关信息
ﻩelｓe
{
ｆor（ｉ＝0;i<4;i＋+） ｂ[ｉ]=0;
／／b数组各元素赋初始值为０
foｒ（m=0;m ｛ ｉｆ（wspaｃe[m].rbiｔ==0&&wｓｐace［m].mbit＝=0） b［0]=1；
//工作集存在访问位、修改位分别为00的页面时,b[0]置1
if（wｓpａｃe[m].rbiｔ＝=0＆＆wspace[m].mbit==１） ｂ[1]=1;
//工作集存在访问位、修改位分别为01的页面时，b[1]置1
if（wspaｃe[m］.rbit=＝1&&wspace[m].mbit＝＝0） b[2]=1；
//工作集存在访问位、修改位分别为１0的页面时，b[2]置1
if（wspace[ｍ].rbiｔ=＝1&＆wｓpaｃe[m].mbｉt=＝1）b［3]＝1;
//工作集存在访问位、修改位分别为11的页面时，ｂ［3］置１
}
if（b［0]=＝1）
ﻩ{
ﻩﻩfor（n＝0;n<ｗnum;n＋+）
ﻩﻩﻩ ｉf（wsｐace[n].rbiｔ=＝０&&wspaｃe[n］.mｂit==0）brｅaｋ;
ﻩﻩﻩcａlliｎ（pagｅ,ｗspａce，n,j）;
/／如果b［０]=1,查找第一个访问位和修改位为0０的页面，调入申请页至此
foｒ（ｎ＝０;n＜wnuｍ；n++）wｓpａce[n].rｂiｔ＝0;
／/遍历工作集，将各页访问位置0
ｐrint（paｇｅ，wspacｅ,j,wnum）;
/／输出相关信息
ﻩﻩ}
ﻩeｌseiｆ（b[1]==1）
ﻩ{
for（ｎ=0;ｎﻩiｆ（ｗspaｃe[n]．rbit==0&&wsｐａce［n].mbit＝=1）breａk；
ﻩcalｌin（pagｅ,wspａｃe,n,j）;
//如果b[１]=1,查找第一个访问位和修改位为01的页面，调入申请页至此
ｆｏr（ｎ=0；n/／遍历工作集,将各页访问位置0
ﻩﻩﻩprinｔ（page,ｗsｐace,j,wnｕm）;
／/输出相关信息
ﻩ｝
ｅｌseｉf（b[2］==1）
ﻩﻩ{
ﻩﻩfoｒ（n＝0;nﻩﻩｉｆ（wｓpaｃe［n].ｒbit＝=１＆&wsｐａce[ｎ].mbｉt==0）brｅaｋ；
ﻩﻩ calｌin（pａｇｅ,wｓｐaｃe,n,ｊ）;
／/如果ｂ[２]=１,查找第一个访问位和修改位为10的页面,调入申请页至此
for（ｎ=0;n/／遍历工作集,将各页访问位置０
ﻩ ｐriｎt（page,wｓｐａce,ｊ，wnｕｍ）;
／／输出相关信息
ﻩﻩ}
else
ﻩ{
ﻩﻩｃaｌlin（page,ｗｓpace，０,j）;
//调入申请页至工作集的第０页
for（ｎ=0;ｎ／／遍历工作集，将各页访问位置０
prinｔ（page，wsｐａce，j,wnｕm）；
/／输出相关信息
ﻩ}
}
}
pｒintf（"\n＂）；
｝
}
3.2程序编译及使用说明
编译说明:
程序在ｃ+＋或ｃ语言环境下编译实现。
使用说明：
在Dｏs环境下实现结果的显示。
开始→程序→MＳ-DOS方式→输入程序名（及其所在路径）与参数来启动程序,例如程序hnrｕ.cpp和数据文件ｈnru．txt存放在F：
\1中,编译完成后可在F：
\1\dｅbug产生可执行文件hｎru．exe,进入MS-DOS方式后可输入F：
\1＼deｂｕg＼hｎrｕ.eｘef:
＼１\hｎｒu.txt,回车即可运行程序,显示运行结果。
四.结论
本设计使用最近未使用页淘汰（NＲU）算法模拟实现页淘汰进程，基本达到老师的要求,程序可处理任一页面请求对列，初始化工作集，并在工作集满的时候使用ＮRＵ算法选择淘汰的页面,调入新的申请页,输出结果信息。
用户可根据自己的需求，在数据文件内任意修改工作集大小,页面请求队列,运行程序，清楚的了解工作集的内容,包括页面号、访问位、修改位,加深对NRU算法的理解。
但本算法存在一定的缺陷，比如,未能处理好当若干个页面的访问位和修改位相同时,算法淘汰哪个页面更为合理的问题。
这个问题曾经考虑过，但因某种原因未能实现。
在设计过程中,因为挺久未使用C语言编程,运用起来有点生疏，导致代码的质量不高，可读性降低。
刚开始设计时,对老师的要求没有明确,耽误了一段较长的时间，又花了相当长的时间写文档。
通过课程设计,感觉到理论和实践的差距，理论上学得再好，都不如动手参与实践，想和做是截然不同的。
以后要加强理论的实践，多动手做点东西。
通过设计文档的编写，感觉到做事的严谨性和自己表达能力的不足，做的出来却并不一定能准确地表达出来。
大学只剩下短短的一年，这次的课程设计给我挺多感触，一个简简单单的程序却做了那么久,以后要珍惜时间,学好课内的知识，多学些课外的知识。
五.参考资料
[1]孟静，操作系统教程，高等教育出版社
[2]潭浩强,《C程序设计语言》，清华大学出版社
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