页式虚拟存储管理组织FIFOLRU和OPT页面置换算法.docx

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页式虚拟存储管理组织FIFOLRU和OPT页面置换算法

1需求分析

1.1目的和要求

在熟练掌握计算机虚拟存储技术的原理的基础上，利用一种程序设计语言模拟实现几种置换算法，一方面加深对原理的理解，另一方面提高学生通过编程根据已有原理解决实际问题的能力，为学生将来进行系统软件开发和针对实际问题提出高效的软件解决方案打下基础。

1.2研究内容

模拟实现页式虚拟存储管理的三种页面置换算法（FIFO（先进先出）、LRU（最近最久未使用）和OPT（最长时间不使用）），并通过比较性能得出结论。

前提：

（1）页面分配采用固定分配局部置换。

（2）作业的页面走向和分得的物理块数预先指定。

可以从键盘输入也可以从文件读入。

（3）置换算法的置换过程输出可以在显示器上也可以存放在文件中，但必须清晰可读，便于检验。

2概要设计

本程序主要划分为4个功能模块，分别是应用FIFO算法、应用LRU算法、应用OPT算法和页面引用串的插入。

1.1各模块之间的结构图

2．1FIFO算法

该模块的主要功能是对相应页面引用串进行处理，输出经过FIFO算法处理之后的结果。

2．2LRU算法

该模块的主要功功能是对相应的页面引用串进行处理，输出经过LRU算法处理之后的结果。

2．3OPT算法

该模块的主要功功能是对相应的页面引用串进行处理，输出经过OPT算法处理之后的结果。

2．4输入新的页面引用串

该模块的主要功能是用户自己输入新的页面引用串，系统默认的字符串是00000000000000000000，用户可以自定义全新的20个数字页面引用串。

3详细设计

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，须根据一定的算法来确定。

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。

3．1FIFO（先进先出）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。

但该算法与进程实际运行的规律不相适应，因为在进程中，有些页面经常被访问，比如，含有全局变量、常用函数、例程等的页面，FIFO算法并不能保证这些页面不被淘汰。

3．2LRU（最近最久未使用）置换算法：

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。

3．3OPT（最优页）置换算法

最优页置换算法是所有算法中产生页错误率最低的，而且绝对没有Belady异常的问题。

它会置换最长时间不会使用的页。

最优页（OPT）置换算法，是根据最长时间不会使用的页来决策的。

这就意味着，需要注意内存中的页面和页面的距离了。

因此OPT算法是选择最久未使用的页面进行淘汰的。

该算法赋予内存中每个页面一个访问字段，用来记录距离此处的最近页面的距离，这样通过比较，就能把最久未使用的页面淘汰掉。

4测试

程序在设计过程中，曾经出过这样或者那样的问题，最让我纠结的问题是在设计OPT算法时出现的，当我认为没有问题的时候程序一运行就没有想要的结果，很明显不是语法上的错误，由于在程序编写过程中没有截图，此处没有图片说明了。

都是逻辑上的错误，最让人难以接受的是，不是程序的逻辑，还是思维的逻辑，也就是从一开始编写程序时，自己的想法的错误了，我说怎么老是显示不出正确的结果，后来改正后结果就显示正常了。

5运行结果

5.1主界面

5.2输入错误的选择

5.3选择4的时候自己输入新的页面号引用串，此处输入书上的例子

5.4确认后首部分的页面号引用串改变

5.5选择FIFO算法，相关设置之后

5.6选择LRU算法之后

5.7选择OPT算法之后

5.8如果你选择的物理模块是其他的数量，此处用4个模块，OPT算法为例

6课程设计总结

1、通过完成该课程设计，使我了解了什么是缺页中断，以及处理缺页中断的调度算法。

通过自己编程，加深了对理论学习的理解。

自己动手的编写对缺页终端的调度算法了解加深了不少了解，使我也明白了，真理是在实践中证明的。

程序中也出现过这样或者那样的问题，我也曾经颓废过，为了一个简单的逻辑问题纠结了好久，真正弄明白之后才发现自己是那么的蠢，一种豁然开朗的感觉涌上心头。

2、程序执行是稳定的，高效的。

在LRU算法中，要找出最近最久未使用的页面的话，就必须设置有关的访问记录项，且每一次访问这些记录项，页面都必须更新这些记录项。

这个记录项在此程序中为

typedefstructpage

{

intyemian;//页面号

intbiaoji;//被访问标记

}page;/*页面逻辑结构，结构为方便算法实现设计*/

如此显然要花费较大的系统开销（包括时间和空间上的），这也是实际系统中不直接采用LRU算法作为页面置换算法的直接原因，但由于其在页面置换的优越性，实际系统常使用LRU的近似算法。

7参考文献

《操作系统概念》第七版

8附录：

源程序清单

#include

#include

//70120304230321201701书上的例子

constintNsize=10;

constintPsize=20;

typedefstructpage

{

intyemian;//页面号

intbiaoji;//被访问标记

}page;/*页面逻辑结构，结构为方便算法实现设计*/

pageblock[Nsize];//物理块

pagepage[Psize];//页面号串

voidInit（intQString[],intNsize）

{//初始化内存单元、缓冲区

for（inti=0;i

{

block[i].yemian=-1;//找到空闲内存

block[i].biaoji=0;

}

for（i=0;i

{

page[i].yemian=QString[i];

page[i].biaoji=0;

}

}

intfindSpace（intNsize）

{//查找是否有空闲内存

for（inti=0;i

{

if（block[i].yemian==-1）

{

returni;//找到空闲内存，返回BLOCK中位置

}

}

return-1;

}

intfindExist（intcurpage,intNsize）

{//查找内存中是否有该页面

for（inti=0;i

{

if（block[i].yemian==page[curpage].yemian）

{

returni;//找到内存中有该页面，返回BLOCK中位置

}

}

return-1;

}

intfindReplace（intNsize）

{//查找应予置换的页面

inta=0;

for（inti=0;i

{

if（block[i].biaoji>=block[a].biaoji）

{

a=i;//找到应予置换页面，返回BLOCK中位置

}

}

returna;

}

voiddisplay（intNsize）

{//显示

for（inti=0;i

{

if（block[i].yemian!

=-1）//非空闲内存

{

cout<

}

}

cout<

}

/*FIFO核心部分*/

voidFIFO（intNsize）

{//先进先出页面置换算法

intexist,space,aition;

floatscore=0;

for（inti=0;i

{

exist=findExist（i,Nsize）;

if（exist!

=-1）//内存中有该页面

{

cout<<"不缺页"<

score+=1;//统计不缺页次数

}

else

{

space=findSpace（Nsize）;

if（space!

=-1）//找到空闲内存

{

block[space]=page[i];

display（Nsize）;

}

else

{

aition=findReplace（Nsize）;//找到应予置换页面

block[aition]=page[i];

display（Nsize）;

}

}

for（intj=0;j

{

block[j].biaoji++;//BLOCK中所有页面biaoji++

}

}

cout<<"缺页次数为：

"<<20-score<

cout<<"缺页率为：

"<<（20-score）*100/20<<"%"<

}

/*LRU核心部分*/

voidLRU（intNsize）

{//最近最久未使用置换算法

intexist,space,aition;

floatscore=0;

for（inti=0;i

{

exist=findExist（i,Nsize）;

if（exist!

=-1）

{

block[exist].biaoji=0;

cout<<"不缺页"<

score+=1;

}

else

{

space=findSpace（Nsize）;

if（space!

=-1）

{

block[space]=page[i];

display（Nsize）;

}

else

{

aition=findReplace（Nsize）;

block[aition]=page[i];

display（Nsize）;

}

}

for（intj=0;j

{

block[j].biaoji++;//BLOCK中所有页面biaoji++

}

}

cout<<"缺页次数为：

"<<20-score<

cout<<"缺页率为：

"<<（20-score）*100/20<<"%"<

}

/*OPT算法核心部分*/

voidOPT（intNsize）

{//最优页置换算法

intexist,space,aition;

floatscore=0;

for（inti=0;i

{

exist=findExist（i,Nsize）;

if（exist!

=-1）//内存中有该页面

{

cout<<"不缺页"<

score+=1;//统计不缺页次数

}

else

{

space=findSpace（Nsize）;

if（space!

=-1）//找到空闲内存

{

block[space]=page[i];

display（Nsize）;

}

else

{

for（intj=0;j

{

for（intl=i;l

{

if（block[j].yemian==page[l].yemian）//计算谁是最长时间没使用的

{

block[j].biaoji=l-i;

break;

}

else

{

block[j].biaoji=Psize-i;

}

}

}

aition=findReplace（Nsize）;//找到应予置换页面

block[aition]=page[i];

display（Nsize）;

}

}

}

cout<<"缺页次数为：

"<<20-score<

cout<<"缺页率为：

"<<（20-score）*100/20<<"%"<

}

voidBlockClear（intNsize）

{//块清除

for（inti=0;i

{

block[i].yemian=-1;

block[i].biaoji=0;

}

}

/*主程序*/

voidmain（void）

{

inti,select,Nsize,QString[Psize]={0};

while（select）

{

cout<<"页面号引用串:

";

for（i=0;i<20;i++）

{

cout<

}

cout<

cout<<"+******************************+"<

cout<<"+------------欢迎--------------+"<

cout<<"+--------页面置换算法----------+"<

cout<<"+-----选择<1>应用FIFO算法------+"<

cout<<"+-----选择<2>应用LRU算法-------+"<

cout<<"+-----选择<3>应用OPT算法-------+"<

cout<<"+---选择<4>插入新的页面号引用串+"<

cout<<"+-------选择<0>退出------------+"<

cout<<"+******************************+"<

cout<<"请选择：

";

cin>>select;

switch（select）

{

case0:

break;

case1:

cout<<"请输入分配的物理块数的大小:

";

cin>>Nsize;

while

（1）

{

if（Nsize>0&&Nsize<=10）

{

Init（QString,Nsize）;

cout<<"页面号引用串:

";

for（i=0;i

{

cout<

}

cout<

cout<<"FIFO算法结果如下:

"<

FIFO（Nsize）;

BlockClear（Nsize）;

cout<<"----------------------"<

system（"pause"）;

system（"cls"）;

break;

}

else

{

cout<<"---输入有误，物理块数请选择1-10的数---"<

";

cin>>Nsize;

}

}

break;

case2:

cout<<"请输入分配的物理块数的大小:

";

cin>>Nsize;

while

（1）

{

if（Nsize>0&&Nsize<=10）

{

Init（QString,Nsize）;

cout<<"页面号引用串:

";

for（i=0;i

{

cout<

}

cout<

cout<<"LRU算法结果如下:

"<

LRU（Nsize）;

BlockClear（Nsize）;

cout<<"----------------------"<

system（"pause"）;

system（"cls"）;

break;

}

else

{

cout<<"---输入有误，物理块数请选择1-10的数---"<

";

cin>>Nsize;

}

}

break;

case3:

cout<<"请输入分配的物理块数的大小:

";

cin>>Nsize;

while

（1）

{

if（Nsize>0&&Nsize<=10）

{

Init（QString,Nsize）;

cout<<"页面号引用串:

";

for（i=0;i

{

cout<

}

cout<

cout<<"OPT算法结果如下:

"<

OPT（Nsize）;

BlockClear（Nsize）;

cout<<"----------------------"<

system（"pause"）;

system（"cls"）;

break;

}

else

{

cout<<"---输入有误，物理块数请选择1-10的数---"<

";

cin>>Nsize;

}

}

break;

case4:

cout<<"请输入20个数：

\n";

for（i=0;i<20;i++）

{

cin>>QString[i];

}

system（"cls"）;

break;

default:

cout<<"提示:

功能号错误!

"<

cout<<"----------------------"<

system（"pause"）;

system（"cls"）;

break;

}

}

}