计算机操作系统 银行家页面置换先进先出.docx

1、计算机操作系统 银行家页面置换先进先出计算机操作系统实验要求为了顺利完成操作系统课程实验，应做到： （1） 实验前，认真学习教材以及实验要求的相关内容，提前做好实验准备。（2） 实验结束后三天内提交实验报告的电子版和打印版。实验报告内容应包括：实验目的、实验内容、设计思路和流程框图，主要程序代码、测试结果以及实验总结。（实验报告模板见“OS实验模板”）（3） 遵守机房纪律，服从指挥，爱护实验设备。实验的验收将分为两个部分。第一部分是上机操作，随机抽查程序运行和即时提问；第二部分是提交书面的实验报告。要杜绝抄袭现象，一经发现雷同，双方成绩均以0分计算。实验内容安排：实验内容与要求编写程序，模拟某

2、个算法。实验一和实验二选一，实验三必选实验一熟悉进程调度相关内容；根据进程调度算法，选择先来先服务、短进程优先、时间片轮转、高优先权优先调度等算法中的一个，编写算法模拟程序。实验二熟悉页面置换相关内容；选择最佳置换算法、先进先出置换算法、LRU置换算法中的一个，编写算法模拟程序。实验三熟悉银行家算法，并编写程序进行模拟。实验一 进程调度实验【开发语言及实现平台或实验环境】C+/C#Turbo C / Microsoft Visual Studio 6.0 / Microsoft Visual Studio .NET 2010【实验目的】（1）加深对进程的概念及进程调度算法的理解；（2）在了解和

3、掌握进程调度算法的基础上，编制进程调度算法通用程序，将调试结果显示在计算机屏幕上，并检测机算和笔算的一致性。【实验要求】（1）了解进程调度；（2）理解利用进程调度算法进行调度的原理；（3）使用某种编程语言进行算法模拟。【实验原理】（注意：这个仅是个例子，可以参考本例，选择其他算法进行实验）一、 例题：设计一个有N个进程的进程调度算法。进程调度算法：采用最高优先数的调度算法（即把处理机分配给优先数最高的进程）。每个进程有一个进程控制块（PCB）表示。进程控制块可以包含如下信息：进程名、优先数、到达时间、需要运行时间、已用CPU时间、进程状态等等。进程的优先数及需要的运行时间可以事先人为的指定（也

4、可以由随机数产生）。进程的到达时间为进程的输入的时间。进程的运行时间以时间片为单位进行计算。每个进程的状态可以是就绪W（Wait）、运行R（Run）、或完成F（Finish）三种状态之一。就绪进程获得CPU后都只能运行一个时间片。用已占用CPU时间加1表示。如果运行一个时间片后，进程的已占用CPU时间已达到所需要的运行时间，则撤销该进程，如果运行一个时间片后，进程的已占用CPU时间还未达到所需要的运行时间，也就是进程还需要继续运行，此时应该将进程的优先数减1（即降低一级），然后把它插入就绪队列等待CPU。每进行一次调度程序都打印一次运行进程、就绪队列、以及各个进程的PCB，以便进行检查。重复以

5、上过程，直到所要的进程都完成为止。分析:使用固定队列与静动态优先级结合每个优先级为00xFF,并且以小的数字为高优先级，大的数字为低优先级，每次皆使用循环得到最高优先级的进程并执行，然后将其动态优先级设置为最低，并将其他进程动态优先级提高，以使得每个进程都有机会运行。进程的优先级与运行时间由随机数产生。二、 代码试例#include #include #include /*常量和状态定义*/#define PRO_NUM 0x05#define MAX_TIME 0xFF /*状态宏*/#define WAIT 0x01#define RUN 0x02#define FINISH 0x03#d

6、efine ID_ERROR 0x10#define MIN_PRIOR 0xFF#define MAX_PRIOR 0x00typedef unsigned int Uint32;/*进程PCB*/struct PCB_Info Uint32 s_id; Uint32 s_static_prior; Uint32 s_dynamic_prior; Uint32 s_start_time; Uint32 s_need_time; Uint32 s_used_time; Uint32 s_state;/*进程队列*/PCB_Info g_queue5;Uint32 g_time;/*模拟进程执行

7、函数*/void Simulator();/*初始化5个进程函数*/void Init_Process();/*初始化进程队列函数*/void Init_Queue();/*创建进程函数*/Uint32 Create_Process(Uint32 pri,Uint32 needtime);/*系统运行函数*/void Run_Process();/*得到最高优先级进程 ID函数*/Uint32 Get_PriProcess();/*进程时间片执行函数*/void Work_Process(Uint32 id);/*改变进程状态和优先级函数*/void Change_Process(Uint32

8、 id);/*打印进程状态函数*/void Print_State();/*结束系统函数*/void End_Process();/*入口函数*/int main( int argc, char *argv ) Simulator(); return 0;void Simulator() Init_Process(); Run_Process(); End_Process();void Init_Process() int i; Uint32 id; srand( (unsigned)time( NULL ) ); Init_Queue(); for(i=0;iPRO_NUM;+i) /*在这

9、里修改随机数的范围，建议优先级取值为0到4之间，进程工作总时间为1到10之间*/ id=Create_Process(rand()%4,1+rand()%10); if(id!=ID_ERROR) printf(*n); printf(创建进程成功n); printf(进程ID号为:%dn,id); printf(进程的静态优先权为:%dn,g_queueid.s_static_prior); printf(进程的动态优先权为:%dn,g_queueid.s_dynamic_prior); printf(进程的到达时间为:%dn,g_queueid.s_start_time); printf(

10、进程需要时间为:%dn,g_queueid.s_need_time); printf(进程已用CPU时间为:%dn,g_queueid.s_used_time); printf(进程的状态为:%dn,g_queueid.s_state); printf(n); else printf(创建进程失败n); void Init_Queue() int i; for(i=0;iPRO_NUM;+i) g_queuei.s_id=i; g_queuei.s_dynamic_prior=MIN_PRIOR; g_queuei.s_need_time=0; g_queuei.s_start_time=0;

11、 g_queuei.s_static_prior=MIN_PRIOR; g_queuei.s_used_time=0; g_queuei.s_state=FINISH; Uint32 Create_Process(Uint32 pri,Uint32 needtime) int i=0; Uint32 id=ID_ERROR; for(i=0;iPRO_NUM;+i) if(g_queuei.s_state=FINISH) id=g_queuei.s_id; g_queuei.s_dynamic_prior=MIN_PRIOR; g_queuei.s_need_time=needtime; g_

12、queuei.s_start_time=g_time; g_queuei.s_state=WAIT; g_queuei.s_static_prior=pri; g_queuei.s_used_time=0x0; break; return id;void Run_Process() Uint32 id; while(id=Get_PriProcess()!=ID_ERROR) Work_Process(id); Change_Process(id); void Print_State() int i; printf(时间 进程IDt状态 已用时间 需要时间 开始时间 静优先级 动优先级n);

13、for(i=0;iPRO_NUM;+i) printf(%dt%dt%dt%dt%dt%dt%dt%dn,g_time,g_queuei.s_id,g_queuei.s_state,g_queuei.s_used_time,g_queuei.s_need_time, g_queuei.s_start_time,g_queuei.s_static_prior,g_queuei.s_dynamic_prior); Uint32 Get_PriProcess() Uint32 id=ID_ERROR; int i,prev_id=ID_ERROR; Uint32 prior=MIN_PRIOR*2,

14、temp_prior; for(i=0;iPRO_NUM;+i) if(g_queuei.s_state!=FINISH) temp_prior=g_queuei.s_dynamic_prior+g_queuei.s_static_prior; if(temp_prior=prior) id=i; prior=temp_prior; return id;void Work_Process(Uint32 id) +g_time; g_queueid.s_state=RUN; +g_queueid.s_used_time; Print_State();void Change_Process(Uin

15、t32 id) int i; if(g_queueid.s_need_time=g_queueid.s_used_time) g_queueid.s_state=FINISH; else g_queueid.s_dynamic_prior=MIN_PRIOR; g_queueid.s_state=WAIT; for(i=0;i0?-g_queuei.s_dynamic_prior:g_queuei.s_dynamic_prior=0; void End_Process() printf(所有进程结束状态:n); Print_State(); printf(所有进程已经结束!n);实验二 请求页

16、式存储管理中常用页面置换算法模拟【开发语言及实现平台或实验环境】C+/C#Turbo C / Microsoft Visual Studio 6.0 / Microsoft Visual Studio .NET 2010【实验目的】（1）了解内存分页管理策略（2）掌握调页策略（3）掌握一般常用的调度算法（4）学会各种存储分配算法的实现方法。（5）了解页面大小和内存实际容量对命中率的影响。【实验要求】（1）采用页式分配存储方案，通过分别计算不同算法的命中率来比较算法的优劣，同时也考虑页面大小及内存实际容量对命中率的影响；（2）实现OPT 算法 (最优置换算法)、LRU 算法 (Least Rec

17、ently)、 FIFO 算法 (First IN First Out)的模拟；（3）使用某种编程语言模拟页面置换算法。【实验原理】分页存储管理将一个进程的逻辑地址空间分成若干大小相等的片，称为页面或页。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，须根据算法来确定。通常，把选择换出页面的算法称为页面置换算法。 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。一、最佳置

18、换算法OPT(Optimal)它是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。其所选择的被淘汰页面，将是以后永不使用的或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。采用最佳置换算法，通常可保证获得最低的缺页率。但由于人目前还无法预知一个进程在内存的若干个页面中，哪一个页面是未来最长时间内不再被访问的，因而该算法是无法实现的，但是可以利用此算法来评价其它算法。如果编写程序模拟该算法，可以提前设定页面访问次序，获知某个页面是否在未来不再被访问。 二、先进先出(FIFO)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

19、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。三、最近最久未使用置换算法 1、LRU(Least Recently Used)置换算法的描述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

20、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。 2、LRU置换算法的硬件支持 LRU置换算法虽然是一种比较好的算法，但要求系统有较多的支持硬件。为了了解一个进程在内存中的各个页面各有多少时间未被进程访问，以及如何快速地知道哪一页是最近最久未使用的页面，须有以下两类硬件之一的支持： 1）寄存器 为了记录某个进程在内存中各页的使用情况，须为每个在内存中的页面配置一个移位寄存器，可表示为 R=Rn-1Rn-2Rn-3R2R1R0 当进程访问某物理块时，要将相应寄存器的Rn-1位置成1。此时，定时信号将每隔一定时间(例如100ms)将寄存器右移

21、一位。如果我们把n位寄存器的数看作是一个整数，那么具有最小数值的寄存器所对应的页面，就是最近最久未使用的页面。下图显示了某进程在内存中具有8个页面，为每个内存页面配置一个8位寄存器时的LRU访问情况。这里，把8个内存页面的序号分别定为1-8。由图可以看出，第7个内存页面的R值最小，当发生缺页时首先将它置换出去。 R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 R0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 2 1 0 1 0 1 1 0 0 3 0 0 0 0 0 1 0 0 4 0 1 1 0 1 0 1 1 5 1 1 0 1 0 1 1 0 6 0 0 1 0 1 0 1 1 7 0 0 0 0 0

22、 1 1 1 8 0 1 1 0 1 1 0 1 2)栈 可利用一个特殊的栈来保存当前使用的各个页面的页面号。每当进程访问某页面时，便将页面的页面号从栈中移出，将它压入栈顶。因此，栈顶始终是最新被访问页面的编号，而栈底则是最近最久未使用的页面的页面号。【实验步骤】 参考实验步骤如下：（注意：这个仅是个例子，可以参考本例，选择其他算法进行实验）（1）现定义数据结构和全局变量。#include #include #define M 4 #define N 17 #define Myprintf printf(|-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|n)/*表格控制*/

23、 typedef struct page int num; /*记录页面号*/ int time; /*记录调入内存时间*/ Page; /* 页面逻辑结构，结构为方便算法实现设计*/ Page bM; /*内存单元数*/ int cMN; /*暂保存内存当前的状态：缓冲区*/ int queue100; /*记录调入队列*/ int K; /*调入队列计数变量*/ （2）初始化内存单元、缓冲区 void Init(Page *b,int cMN) int i,j; for(i=0;iN;i+) bi.num=-1; bi.time=N-i-1; for(i=0;iM;i+) for(j=0;

24、jN;j+) cij=-1; （3）取得在内存中停留最久的页面,默认状态下为最早调入的页面*/ int GetMax(Page *b) int i; int max=-1; int tag=0; for(i=0;imax) max=bi.time; tag=i; return tag; （4）判断页面是否已在内存中*/ int Equation(int fold,Page *b) int i; for(i=0;i=0) bval.time=0; for(i=0;iM;i+) if (i!=val) bi.time+; else queue+K=fold;/*记录调入页面*/ val=GetMa

25、x(b); bval.num=fold; bval.time=0; for(i=0;iM;i+) if (i!=val) bi.time+; （6）主程序 void main() int aN=1,0,1,0,2,4,1,0,0,8,7,5,4,3,2,3,4; int i,j; start: K=-1; Init(b, c); for(i=0;iN;i+) Lru(ai,b); c0i=ai; /*记录当前的内存单元中的页面*/ for(j=0;jM;j+) cji=bj.num; /*结果输出*/ printf(内存状态为：n); Myprintf; for(j=0;jN;j+) prin

26、tf(|%2d ,aj); printf(|n); Myprintf; for(i=0;iM;i+) for(j=0;jN;j+) if(cij=-1) printf(|%2c ,32); else printf(|%2d ,cij); printf(|n); Myprintf; printf(n调入队列为:); for(i=0;iK+1;i+) printf(%3d,queuei); printf(n缺页次数为：%6dn缺页率：%16.6f,K+1,(float)(K+1)/N); printf(nAre you continuing!ty?); if(getche()=y) goto st

27、art; 可以参照以上代码写出FIFO的算法。实验三 银行家算法模拟【开发语言及实现平台或实验环境】C+/C#Turbo C / Microsoft Visual Studio 6.0 / Microsoft Visual Studio .NET 2010【实验目的】（1）理解利用银行家算法避免死锁的问题；（2）在了解和掌握银行家算法的基础上，编制银行家算法通用程序，将调试结果显示在计算机屏幕上，并检测机算和笔算的一致性。（3）理解和掌握安全序列、安全性算法【实验要求】（1）了解和理解死锁；（2）理解利用银行家算法避免死锁的原理；（3）使用某种编程语言模拟该算法。【实验原理】一、安全状态指系统能按照某种顺序如(称为P1,P