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

1 1

2 0

3 1

5 1

3 0

6 1

4 0

2 1

3 0

7 1

2.3数据结构定义

⑴定义页面请求队列Page

typedef struct

{   int pagenum;      //页面号   

    int mbit;         //修改位

}Page;

⑵定义工作集Wspace

typedef struct

{   int pageno;       //页面号

    int rbit;         //访问位

    int mbit;         //修改位

    int status;       //该页的标志位，表示是否被占用

}Wspace;

⑶其他

int pnum;       //申请页面的总数

    int wnum;       //工作集大小

    int b[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：

void read(int argc,char * argv[],Page **page,int *pnum,int *wnum,Wspace **wspace)

{  FILE *file;

   char temp[80];

   int i;

   if(argc!=2) exit(0);

   if((file=fopen(argv[1],"r"))==NULL)

  {

    printf("read file failed/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("pagenum mbit/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3 nru()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：

void nru(Page *page,Wspace *wspace,int pnum,int wnum,int b[4])

{int i,j,m,n,k;

 for(j=0;j<pnum;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<wnum;m++)

       if(wspace[m].pageno==(page+j)->pagenum) break; 

//查找申请页是否在工作集

    if(m<wnum)

    {

       callin(page,wspace,m,j);

       print(page,wspace,j,wnum);       

    }

//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

    else

    {  for(k=0;k<wnum;k++)

         if(wspace[k].status==0) break;     

//查找工作集是否存在空闲页

       if(k<wnum)

       { 

         callin(page,wspace,k,j);

         print(page,wspace,j,wnum);      

       }

//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

       else

       {

 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<wnum;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)

        {

            for(n=0;n<wnum;n++)

             if(wspace[n].rbit==0&&wspace[n].mbit==0) break;

            callin(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

        }

        else if(b[1]==1)

        {

            for(n=0;n<wnum;n++)

             if(wspace[n].rbit==0&&wspace[n].mbit==1) break;

            callin(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<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

        }

        else if(b[2]==1)

        {

            for(n=0;n<wnum;n++)

             if(wspace[n].rbit==1&&wspace[n].mbit==0) break;

            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<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

        }

        else

        {

            callin(page,wspace,0,j);      

//调入申请页至工作集的第0页

            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

        }

      }

  }

  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.exe  f:/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