操作系统存储管理实验报告.docx

1、操作系统存储管理实验报告 操 作 系 统 实验报告学 号姓名年 级2003班级填实际班级机号：学院机房时间4.6-4.13/ 4.7-4.14指导教师成绩一、实验题目：存储管理 （该实验为综合性实验，共用8个学时）二、实验要求：1、通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。其地址按下述原则生成：50%的指令是顺序执行的；25%的指令是均匀分布在前地址部分；25%的指令是均匀分布在后地址部分；具体的实施方法是：A.在0，319的指令地址之间随机选取一起点M；B.顺序执行一条指令，即执行地址为M+1的指令；C.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；D.顺序执行一条指令，其

2、地址为M+1；E.在后地址M+2，319中随机选取一条指令并执行；F.重复AE，直到执行320次指令。2、指令序列变换成页地址流，设：页面大小为1K；用户内存容量为4页到32页；用户虚存容量为32K。在用户虚存中，按每页存放10条指令排列虚存地址，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1页（对应虚存地址为10，19）；第310条第319条指令为第31页（对应虚存地址为310，319）；3、计算并输出下述各种算法(可任选三个)在不同内存容量下的命中率。 A. FIFO先进先出置换算法； B. LRU最近最久未使用置换算法；

3、C. OPT最佳置换算法。 D. NUR最近未使用置换算法。 E. LFU最少使用置换算法。三、总的设计思想、环境语言、工具等总的设计思想：1、 编写函数计算并输出下述各种算法的命中率1 OPT页面置换算法OPT所选择被淘汰的页面是已调入内存，且在以后永不使用的，或是在最长时间内不再被访问的页面。因此如何找出这样的页面是该算法的关键。可为每个页面设置一个步长变量，其初值为一足够大的数，对于不在内存的页面，将其值重置为零，对于位于内存的页面，其值重置为当前访问页面与之后首次出现该页面时两者之间的距离，因此该值越大表示该页是在最长时间内不再被访问的页面，可以选择其作为换出页面。2 FIFO页面置换

4、算法FIFO总是选择最先进入内存的页面予以淘汰，因此可设置一个先进先出的忙页帧队列，新调入内存的页面挂在该队列的尾部，而当无空闲页帧时，可从该队列首部取下一个页帧作为空闲页帧，进而调入所需页面。3 LRU页面置换算法LRU是根据页面调入内存后的使用情况进行决策的，它利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。该算法主要借助于页面结构中的访问时间time来实现，time记录了一个页面上次的访问时间，因此，当须淘汰一个页面时，选择处于内存的页面中其time值最小的页面，即最近最久未使用的页面予以淘汰。4 LFU页面置换算法LFU要求为每个页面配置一个计数器（即页面

5、结构中的counter），一旦某页被访问，则将其计数器的值加1，在需要选择一页置换时，则将选择其计数器值最小的页面，即内存中访问次数最少的页面进行淘汰。5 NUR页面置换算法NUR要求为每个页面设置一位访问位（该访问位仍可使用页面结构中的counter表示），当某页被访问时，其访问位counter置为1。需要进行页面置换时，置换算法从替换指针开始（初始时指向第一个页面）顺序检查处于内存中的各个页面，如果其访问位为0，就选择该页换出，否则替换指针下移继续向下查找。如果内存中的所有页面扫描完毕未找到访问位为0的页面，则将替换指针重新指向第一个页面，同时将内存中所有页面的访问位置0，当开始下一轮扫描

6、时，便一定能找到counter为0的页面。2、 在主函数中生成要求的指令序列，并将其转换成页地址流；在不同的内存容量下调用上述函数使其计算并输出相应的命中率。环境语言：Linux下的GNU 编译环境四、数据结构与模块说明 程序中用到的数据结构、类型定义及主要的函数原型如下：1、 数据结构（1） 页面结构 typedef struct int pn, pfn, counter, time; pl_type ;pl_type pltotal_vp;其中pn为页面号（页号），pfn为页帧号（物理块号），counter为一个周期内访问该页面的次数，time为访问时间；pltotal_vp为页面结构数组

7、，由于共有320条指令，每页可装入10条指令，因此虚页长total_vp的值为32。（2）页帧控制结构struct pfc_struct int pn, pfn; struct pfc_struct *next;typedef struct pfc_struct pfc_type;pfc_type pfctotal_vp, *freepf_head, *busypf_head, *busypf_tail;其中pfctotal_vp定义用户进程的页帧控制结构数组，在该实验中，用户内存工作区是动态变化的，最多可达到用户进程的虚页数目，即32个物理块。*freepf_head为空闲页帧头的指针*bu

8、sypf_head为忙页帧头的指针*busypf_tail忙页帧尾的指针2、 变量定义(1) int atotal_instruction: 指令流数组(2) int diseffect: 页面失效次数(3) int pagetotal_instruction: 每条指令所属页面号(4) int offsettotal_instruction: 每页装入10条指令后取模运算得出的页内偏移地址(5) int total_pf: 用户进程的内存页帧数3、 主要函数(1) void initialize(int): 初始化函数该函数主要对页面结构数组pl和页帧结构数组pfc进行初始化，如置页面结构中

9、的页面号pn，初始化页帧号pfn为空，访问次数counter为0，访问时间time为-1；同样对页帧数组进行初始化，形成一个空闲页帧队列。(2) void OPT(int): 计算使用最佳页面算法时的命中率(3) void FIFO(int): 计算使用先进先出页面置换算法时的命中率(4) void LRU(int): 计算使用最近最久未使用页面置换算法时的命中率(5) void LFU(int): 计算使用最少使用置换算法时的命中率(6) void NUR(int): 计算使用最近未使用置换算法时的命中率五、主要算法的设计与实现void FIFO(int total_pf) /*先进先出页面

10、置换算法*/ int i,j; pfc_type *p; initialize(total_pf); busypf_head=busypf_tail=NULL;for(i=0;inext; plbusypf_head-pn.pfn=INVALID; /将忙页帧队首页面作为换出页面 freepf_head=busypf_head; freepf_head-next=NULL; busypf_head=p; /忙页帧头指针后移 p=freepf_head-next; /有空闲页帧 freepf_head-next=NULL; freepf_head-pn=pagei; /* 将所需页面调入空闲页帧

11、 */ plpagei.pfn=freepf_head-pfn; if(busypf_tail=NULL) /* 若忙页帧队列为空，则将其头尾指针都指向刚调入页面所在的页帧 */ busypf_head=busypf_tail=freepf_head; else /否则，将刚调入页面所在的页帧挂在忙页帧队列尾部 busypf_tail-next=freepf_head; busypf_tail=freepf_head; freepf_head=p; /空闲页帧头指针后移 printf(FIFO:%6.4f ,1-(float)diseffect/320);void LRU(int total_

12、pf) /*最近最久未使用页面置换算法*/ int i,j; int min,minj,present_time; initialize(total_pf); present_time=0;for(i=0;itotal_instruction;i+) if(plpagei.pfn=INVALID) /*页面失效*/ diseffect+; if(freepf_head=NULL) /*无空闲页帧*/ min=32767; for(j=0;jplj.time & plj.pfn!=INVALID) min=plj.time; minj=j; freepf_head=&pfcplminj.pfn;

13、 /腾出一个单元 plminj.pfn=INVALID; plminj.time=-1; freepf_head-next=NULL; plpagei.pfn=freepf_head-pfn; /有空闲页面,改为有效 plpagei.time=present_time; /修改页面的访问时间 freepf_head=freepf_head-next; /减少一个free 页面 else plpagei.time=present_time; /命中则修改该单元的访问时间 present_time+; printf(LRU:%6.4f ,1-(float)diseffect/320);void N

14、UR(int total_pf) /* 最近未使用页面置换算法 */ int i,j,dp,cont_flag,old_dp; initialize(total_pf); dp=0;for(i=0;itotal_instruction;i+) if(plpagei.pfn=INVALID) /*页面失效*/ diseffect+; if(freepf_head=NULL) /*无空闲页帧*/ cont_flag=TRUE; old_dp=dp; while(cont_flag) if(pldp.counter=0&pldp.pfn!=INVALID) cont_flag=FALSE; /找到位

15、于内存且未被访问的页面 else dp+; if(dp=total_vp) dp=0; /将替换指针重新指向第一个页面 if(dp=old_dp) /* 若内存中所有页面扫描完毕未找到访问位为0的页面，将内存中所有页面的访问位置0 */ for(j=0;jnext=NULL; plpagei.pfn=freepf_head-pfn; /有空闲页面,改为有效 freepf_head=freepf_head-next; /减少一个free 页面 else plpagei.counter=1; /命中则将访问位置1 if(i%clear_period=0) /清零周期到，将所有访问位清零 for(j

16、=0;jtotal_vp;j+) plj.counter=0; printf(NUR:%6.4f ,1-(float)diseffect/320);void OPT(int total_pf) /* 最佳页面置换算法 */ int i,j,max,maxpage,d,disttotal_vp; initialize(total_pf); for(i=0;itotal_instruction;i+) if(plpagei.pfn=INVALID) /*页面失效*/ diseffect+; if(freepf_head=NULL) /*无空闲页面*/ for(j=0;jtotal_vp;j+) i

17、f(plj.pfn!=INVALID)/所有位于内存页面的距离变量赋一足够大的数 distj=32767; else /不在内存的页面该变量则置为0 distj=0; d=1; /* 对于位于内存且在当前访问页面之后将再次被访问的页面，dist重置为当 前页 面与之后首次出现该页面时两者之间的距离 */ for(j=i+1;jtotal_instruction;j+) if(plpagej.pfn!=INVALID & distpagej=32767) distpagej=d; d+; max=-1; /查找dist变量值最大的页面作为换出页面 for(j=0;jtotal_vp;j+) if

18、(maxnext=NULL; plmaxpage.pfn=INVALID; plpagei.pfn=freepf_head-pfn; /有空闲页面,改为有效 freepf_head=freepf_head-next; /减少一个free 页面 printf(OPT:%6.4f ,1-(float)diseffect/320);void LFU(int total_pf) /* 最少使用页面置换算法 */ int i,j,min,minpage; initialize(total_pf); for(i=0;itotal_instruction;i+) if(plpagei.pfn=INVALID

19、) /页面失效 diseffect+; if(freepf_head=NULL) /无空闲页帧 min=32767; for(j=0;jplj.counter&plj.pfn!=INVALID) min=plj.counter; minpage=j; plj.counter=0; freepf_head=&pfcplminpage.pfn; /腾出一个单元 plminpage.pfn=INVALID; freepf_head-next=NULL; plpagei.pfn=freepf_head-pfn; /有空闲页面,改为有效 plpagei.counter+; /增加页面访问次数 freep

20、f_head=freepf_head-next; /减少一个free 页面 else plpagei.counter+; /命中增加页面访问次数 printf(LFU:%6.4f ,1-(float)diseffect/320);六、源程序 见电子稿(文件名ymzh.c);七、运行结果本实验的运行结果如下图所示（以OPT、FIFO、LRU为例）： 从上述结果可知，随着内存页面数的增加，三种算法的访问命中率逐渐增大。在内存页面数为425个页面之间时，三种算法的命中率大致在56%至88%之间变化，但是，OPT算法和其他两种算法之间的差别一般在612个百分点左右。在内存页面为2532个页面时，由于用

21、户进程的所有指令基本上都已装入内存，从而命中率增加较大，各种算法之间的差别不大。 比较上述三种算法，OPT算法的命中率最高，LRU算法和FIFO算法的命中率则较为接近。八、自我评析与总结 （可参考以下内容：） 1总的自我打分。 2你认为你完成的作业哪些地方做得比较好或比较出色。 3差距与局限，什么地方做得不太好，或什么地方可以做得更好，进一步的工作。 4从本作业得到的收获。对编写与调试过程中经验教训的总结。 5完成本题的其他方法。 6对实验题的评价和改进意见。九、参考文献1计算机操作系统教程系统解答与实验指导第2版，张尧学编著，清华大学出版社，2000年出版2计算机操作系统修订版，汤子瀛等编著，西安电子科技大学出版社，2003年6月出版十、教师评语：