操作系统——请求调页存储管理方式的各种模拟

1．设计目的

通过对页面、页表、地址转换和页面置换过程的模拟，加深对请求调页系统的原理和实现过程的理解。

2．设计内容

  1）假设每个页面中可存放10条指令，分配给作业的内存块数为4。

  2）用c语言模拟一个作业的执行过程，该作业共有320条指令，即它的地址空间为32页，目前它的所有页都还未调入内存。在模拟过程中，如果所访问的指令已在内存，则显示其物理地址，并转下一条指令。如果所访问的指令还未装入内存，则发生缺页，此时需记录缺页的次数，并将相应页调入内存。如果4个内存块均已装入该作业，则需进行页面置换，最后显示其物理地址，并转下一条指令。

在所有320指令执行完毕后，请计算并显示作业运行过程中发生的缺页率。

  3）置换算法：

1、采用先进先出（FIFO）置换算法。

2、最近最久未使用（LRU）算法。

3、最佳置换（OPT）算法。

4、最少访问（LFU）算法。

提示:

（1）通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。指令的地址按下述原则生成：

① 50%的指令是顺序执行的；

  ② 25%的指令是均匀分布在前地址部分；

③ 25%的指令是均匀分布在后地址部分；

具体的实施方法是：

① 在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点m；

② 顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令；

③ 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′；

④ 顺序执行一条指令，其地址为m′+1的指令；

⑤ 在后地址[m′+2，319]中随机选取一条指令并执行；

⑥ 重复上述步骤①～⑤，直到执行320次指令。

（2）将指令序列变换为页地址流

① 设页面大小为1K；

② 用户内存容量为4页到32页；

③ 用户虚存容里为32K。

在用户虚存中，按每K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]）。

按以上方式，用户指令可组成32页。

（3）计算先进先出（FIFO）算法在不同内存容量下的命中率。

 

其中，命中率=1-页面失效次数/页地址流长度

 

1、采用先进先出（FIFO）置换算法

#include<iostream>#include<cstdio>#include<algorithm>#include<queue>#include<cmath>#include<ctime>#include<cstring>#include<cstdlib>using namespace std;struct node{    int i,j;//进入内存的页面数和页内地址    int p;//页面值    int k;//记录页面在内存中中的位置1~4};struct NN{    int flag;//表示是否存在在内存中    int id;//在内存中的位置1~4};int page[33][11];//保存页面和指令int qk=0,sss=0;//用于记录缺页的次数queue<node> q;int hashmap[330];//一共用320条指令double random();//生成[0,1]之间的均匀数字int random(int m);//生成[0,m-1]之间的均匀随机数void Init(int r);//定义初始化函数，初始值为rvoid Init_Page();//初始化页面void Show();//显示页面信息int Address(int i,int j);//计算每个页面对应的地址void Oper_FIFO(int n);//FIFO操作算法void Print();int main(){    freopen("input.txt","r",stdin);    freopen("output13.txt","w",stdout);    Init(6);    printf("生成的随机数\n");    Show();    Init_Page();    printf("对应的调入页面\n");    Show();    Oper_FIFO(4);    Print();return 0;}double random(){//生成[0,1]之间的均匀数字    return (double) rand() / RAND_MAX;}int random(int m){//生成[0,m-1]之间的均匀随机数    return (int) (random()*(m-1)+0.5);}int Address(int i,int j){//计算每个页面对应的地址    return i*10+j;}void Init(int r){//初始化函数，初始化指令    srand(time(NULL));    int ok=1,j=0;    for(int i=0;i<32;){        if(j==10){            i++; j=0;            if(i>=32) break;        }        if(ok==1){            r=random(320);            page[i][j++]=r;            page[i][j++]=r+1;            ok=2;//标记进入第二个随机数            continue;        }        if(ok==2){            int k=(random(r+1));//1-m+1随机取一个数            page[i][j++]=k;            page[i][j++]=k+1;            ok=3;//标记下次进入第二个随机数            continue;        }        if(ok==3){            int k=(r+2)+(random(320-r-2));//在m+2和320之间随机取一个数            page[i][j++]=k;            page[i][j++]=k+1;            ok=1;//下次进入标记进入第一个随机数            continue;        }    }}void Init_Page(){//初始化页面    for(int i=0;i<32;i++){        for(int j=0;j<10;j++){            page[i][j]=page[i][j]/10;        }    }}void Oper_FIFO(int n){//操作函数,先进先出    int s=0;//内存的首指    memset(hashmap,0,sizeof(hashmap));//用于记录当前页面是否在内存中，0：不在，1：在    for(int i=0;i<32;i++){//下面是有320条指令的作业的运行情况        for(int j=0;j<10;j++){            if(hashmap[page[i][j]]==1){//页面在内存中                printf("当前访问页面在内存中，当前页面的地址为%d\n",Address(i,j));                sss++;            }            else{//当前页面不在内存中，增加缺页次数，并调入内存                qk++;//增加缺页次数                node temp,temp1;                temp.i=i;                temp.j=j;                temp.p=page[i][j];                if(q.size()<n){//内存使用小于4，直接调入                    printf("页面不存在，有空的内存空间，直接调入。\n");                    temp.k=s%4+1;                    hashmap[page[i][j]]=1;                    q.push(temp);                    //记录此页已在内存中                    ++s;                }                if(q.size()==n){//内存已占用4，按先进先出移除一个页面                    temp1=q.front();//取出队首元素                    q.pop();                    printf("页面不存在，内存空间已满，按算法移除页面为：%d,其地址为：%d,它占用的内存块为：%d\n",temp1.p,Address(temp1.i,temp1.j),temp1.k);                    temp.k=temp1.k;                    hashmap[temp1.p]=0;//移除的页面变为未存在                    q.push(temp);                    hashmap[page[i][j]]=1;//进入的页面表示为存在                }            }        }    }}void Show(){    for(int i=0;i<32;i++){        for(int j=0;j<10;j++){            printf("%d ",page[i][j]);        }        printf("\n");    }}void Print(){    printf("缺页次数为：%d  匹配成功次数：%d\n",qk,sss);    printf("缺页率为：%.3lf%%\n",1.0*qk/320*100);}

2、最近最久未使用（LRU）算法

/** *操作系统作业 *题目14：LRU */#include<iostream>#include<cstdio>#include<algorithm>#include<queue>#include<cmath>#include<ctime>#include<cstring>#include<cstdlib>using namespace std;struct node{    int i,j;//进入内存的页面数和页内地址    int p;//页面值    int k;//记录页面在内存中中的位置1~4};struct NN{    int flag;//表示是否存在在内存中    int id;//在内存中的位置1~4};int page[33][11];//保存页面和指令int qk=0;//用于记录缺页的次数node q[136];//定义内存块的个数clock_t hashmap[330];//一共用320条指令double random();//生成[0,1]之间的均匀数字int random(int m);//生成[0,m-1]之间的均匀随机数void Init(int r);//定义初始化函数，初始值为rvoid Init_Page();//定义page初始化函数void Show();//显示页面信息int Address(int i,int j);//计算每个页面对应的地址void Oper_LRU(int n);//LRU操作算法void Print();int cmp(node a,node b);//定义比较函数int main(){    freopen("input14.txt","r",stdin);    freopen("output14.txt","w",stdout);    int n;    Init(56);    Init_Page();    printf("调入页面：\n");    Show();s    scanf("%d",&n);    Oper_LRU(n);    Print();return 0;}double random(){//生成[0,1]之间的均匀数字    return (double) rand() / RAND_MAX;}int random(int m){//生成[0,m-1]之间的均匀随机数    return (int) (random()*(m-1)+0.5);}int Address(int i,int j){//计算每个页面对应的地址    return i*10+j;}void Init(int r){//初始化函数，初始化指令    srand(time(NULL));    int ok=1,j=0;    for(int i=0;i<32;){        if(j==10){            i++; j=0;            if(i>=32) break;        }        if(ok==1){            r=random(320);            page[i][j++]=r;            page[i][j++]=r+1;            ok=2;//标记进入第二个随机数            continue;        }        if(ok==2){            int k=(random(r+1));//1-m+1随机取一个数            page[i][j++]=k;            page[i][j++]=k+1;            ok=3;//标记下次进入第二个随机数            continue;        }        if(ok==3){            int k=(r+2)+(random(320-r-2));//在m+2和320之间随机取一个数            page[i][j++]=k;            page[i][j++]=k+1;            ok=1;//下次进入标记进入第一个随机数            continue;        }    }}void Init_Page(){//初始化页面    for(int i=0;i<32;i++){        for(int j=0;j<10;j++){            page[i][j]=page[i][j]/10;        }    }}void Oper_LRU(int n){//操作函数,先进先出    int s=0;//内存的首指    memset(hashmap,0,sizeof(hashmap));//用于记录当前页面是否在内存中，0：不在，1-4：在某个内存    memset(q,0,sizeof(q));    for(int i=0;i<32;i++){//下面是有320条指令的作业的运行情况        for(int j=0;j<10;j++){            if(hashmap[page[i][j]]>=1){//页面在内存中                //printf("当前访问页面在内存中，占用内存的地址为：%d，当前页面的地址为%d\n",hashmap[page[i][j]].id+1,Address(i,j));                hashmap[page[i][j]]=clock();//记录最近一次访问时间                sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4            }            else{//当前页面不在内存中，增加缺页次数，并调入内存                qk++;//增加缺页次数                node temp,temp1;                temp.i=i;                temp.j=j;                temp.p=page[i][j];                if(s<n){//内存使用小于4，直接调入                    //printf("页面不存在，有空的内存空间，直接调入。\n");                    temp.k=s+1;                    hashmap[page[i][j]]=clock();//记录进入时间                    q[s++]=temp;                    //记录此页已在内存中                }                else if(s>=n){//内存已占用4，按先进先出移除一个页面                    temp1=q[0];//取出队首元素                    //printf("页面不存在，内存空间已满，按算法移除页面为：%d,其地址为：%d,它占用的内存块为：%d\n",temp1.p,Address(temp1.i,temp1.j),temp1.k);                    temp.k=temp1.k;                    hashmap[page[temp1.i][temp1.j]]=0;//变为未访问                    q[0]=temp;                    hashmap[page[i][j]]=clock();//记录进入时间                }                sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4            }            for(int k=0;k<n;k++){                printf("%02d ",q[k].p);            }            printf("\n");        }    }}void Show(){    for(int i=0;i<32;i++){        for(int j=0;j<10;j++){            printf("%d ",page[i][j]);        }        printf("\n");    }}void Print(){    printf("缺页次数为：%d\n",qk);    printf("命中率为：%.3lf%%\n",1.0*(320-qk)/320*100);}int cmp(node a,node b){//实现比较函数    return hashmap[a.p]<hashmap[b.p];//最近最少使用的页面小的排在最前面}

3、最佳置换（OPT）算法

/** *操作系统作业 *题目15：OPT */#include<iostream>#include<cstdio>#include<algorithm>#include<queue>#include<cmath>#include<ctime>#include<cstring>#include<cstdlib>using namespace std;struct node{    int i,j;//进入内存的页面数和页内地址    int p;//页面值    int k;//记录页面在内存中中的位置1~4};struct NN{    int flag;//表示是否存在在内存中    int id;//在内存中的位置1~4};int page[33][11];//保存页面和指令int qk=0;//用于记录缺页的次数node q[136];//定义内存块的个数int hashmap[330];//一共用320条指令queue<int> qp[325];//保存每一个页面在未来的位置到队列中double random();//生成[0,1]之间的均匀数字int random(int m);//生成[0,m-1]之间的均匀随机数void Init(int r);//定义初始化函数，初始值为rvoid Init_Page();//定义page初始化函数void Show();//显示页面信息int Address(int i,int j);//计算每个页面对应的地址void Oper_OPT(int n);//LRU操作算法void Print();int cmp(node a,node b);//定义比较函数int main(){    /**    freopen("input.txt","r",stdin);    freopen("output15.txt","w",stdout);    **/    Init(56);    Init_Page();    printf("调入页面：\n");    Show();    Oper_OPT(4);//此处传入的参数不同，可用内存不同    Print();return 0;}double random(){//生成[0,1]之间的均匀数字    return (double) rand() / RAND_MAX;}int random(int m){//生成[0,m-1]之间的均匀随机数    return (int) (random()*(m-1)+0.5);}int Address(int i,int j){//计算每个页面对应的地址    return i*10+j;}void Init(int r){//初始化函数，初始化指令    srand(time(NULL));    int ok=1,j=0;    for(int i=0;i<32;){        if(j==10){            i++; j=0;            if(i>=32) break;        }        if(ok==1){            r=random(320);            page[i][j++]=r;            page[i][j++]=r+1;            ok=2;//标记进入第二个随机数            continue;        }        if(ok==2){            int k=(random(r+1));//1-m+1随机取一个数            page[i][j++]=k;            page[i][j++]=k+1;            ok=3;//标记下次进入第二个随机数            continue;        }        if(ok==3){            int k=(r+2)+(random(320-r-2));//在m+2和320之间随机取一个数            page[i][j++]=k;            page[i][j++]=k+1;            ok=1;//下次进入标记进入第一个随机数            continue;        }    }}void Init_Page(){//初始化页面    for(int i=0;i<32;i++){        for(int j=0;j<10;j++){            page[i][j]=page[i][j]/10;            qp[page[i][j]].push(i*10+j);//保存每个页面出现的位置在队列中        }    }    for(int i=0;i<=320;i++){//将不足的页面赋值为321；标记此页面在以后不会出现,一定会在最前面被替换        while(qp[i].size()<=320){            qp[i].push(322);        }    }}void Oper_OPT(int n){//操作函数,先进先出    int s=0;//内存的首指    memset(hashmap,0,sizeof(hashmap));//用于记录当前页面是否在内存中，0：不在，1-4：在某个内存    memset(q,0,sizeof(q));    for(int i=0;i<32;i++){//下面是有320条指令的作业的运行情况        for(int j=0;j<10;j++){            if(hashmap[page[i][j]]==1){//页面在内存中                //printf("当前访问页面在内存中，占用内存的地址为：%d，当前页面的地址为%d\n",hashmap[page[i][j]].id+1,Address(i,j));                qp[page[i][j]].pop();//从队列中移除当前页面的当前位置                sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4            }            else{//当前页面不在内存中，增加缺页次数，并调入内存                qk++;//增加缺页次数                node temp,temp1;                temp.i=i;                temp.j=j;                temp.p=page[i][j];                qp[page[i][j]].pop();//从队列中移除当前页面的当前位置                if(s<n){//内存使用小于4，直接调入                    //printf("页面不存在，有空的内存空间，直接调入。\n");                    temp.k=s+1;                    hashmap[page[i][j]]=1;//记录已在内存                    q[s++]=temp;                    //记录此页已在内存中                }                else if(s>=n){//内存已占用4，按先进先出移除一个页面                    temp1=q[0];//取出队首元素                    //printf("页面不存在，内存空间已满，按算法移除页面为：%d,其地址为：%d,它占用的内存块为：%d\n",temp1.p,Address(temp1.i,temp1.j),temp1.k);                    temp.k=temp1.k;                    hashmap[page[temp1.i][temp1.j]]=0;//变为未访问                    q[0]=temp;                    hashmap[page[i][j]]=1;//记录进入内存                }                sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4            }            for(int k=0;k<n;k++){                printf("%02d ",q[k].p);            }            printf("\n");        }    }}void Show(){    for(int i=0;i<32;i++){        for(int j=0;j<10;j++){            printf("%d ",page[i][j]);        }        printf("\n");    }}void Print(){    printf("缺页次数为：%d\n",qk);    printf("命中率为：%.3lf%%\n",1.0*(320-qk)/320*100);}int cmp(node a,node b){//实现比较函数    return qp[a.p].front()>qp[b.p].front();//未来一段时间出现的晚的在前面}

4、最少访问（LFU）算法

/** *操作刺痛作业 *题目16：LFU */#include<iostream>#include<cstdio>#include<algorithm>#include<queue>#include<cmath>#include<ctime>#include<cstring>#include<cstdlib>using namespace std;struct node{    int i,j;//进入内存的页面数和页内地址    int p;//页面值    int k;//记录页面在内存中中的位置1~4};struct NN{    int flag;//表示是否存在在内存中    int id;//在内存中的位置1~4};int page[33][11];//保存页面和指令int qk=0;//用于记录缺页的次数node q[136];//定义内存块的个数int hashmap[330];//一共用320条指令double random();//生成[0,1]之间的均匀数字int random(int m);//生成[0,m-1]之间的均匀随机数void Init(int r);//定义初始化函数，初始值为rvoid Init_Page();//定义page初始化函数void Show();//显示页面信息int Address(int i,int j);//计算每个页面对应的地址void Oper_LFU(int n);//FIFO操作算法void Print();int cmp(node a,node b);//定义比较函数int main(){    freopen("input.txt","r",stdin);    freopen("output16.txt","w",stdout);    Init(56);    Init_Page();    printf("调入页面：\n");    Show();    Oper_LFU(4);    Print();return 0;}double random(){//生成[0,1]之间的均匀数字    return (double) rand() / RAND_MAX;}int random(int m){//生成[0,m-1]之间的均匀随机数    return (int) (random()*(m-1)+0.5);}int Address(int i,int j){//计算每个页面对应的地址    return i*10+j;}void Init(int r){//初始化函数，初始化指令    srand(time(NULL));    int ok=1,j=0;    for(int i=0;i<32;){        if(j==10){            i++; j=0;            if(i>=32) break;        }        if(ok==1){            r=random(320);            page[i][j++]=r;            page[i][j++]=r+1;            ok=2;//标记进入第二个随机数            continue;        }        if(ok==2){            int k=(random(r+1));//1-m+1随机取一个数            page[i][j++]=k;            page[i][j++]=k+1;            ok=3;//标记下次进入第二个随机数            continue;        }        if(ok==3){            int k=(r+2)+(random(320-r-2));//在m+2和320之间随机取一个数            page[i][j++]=k;            page[i][j++]=k+1;            ok=1;//下次进入标记进入第一个随机数            continue;        }    }}void Init_Page(){//初始化页面    for(int i=0;i<32;i++){        for(int j=0;j<10;j++){            page[i][j]=page[i][j]/10;        }    }}void Oper_LFU(int n){//操作函数,先进先出    int s=0;//内存的首指    memset(hashmap,0,sizeof(hashmap));//用于记录当前页面是否在内存中，0：不在，1-4：在某个内存    memset(q,0,sizeof(q));    for(int i=0;i<32;i++){//下面是有320条指令的作业的运行情况        for(int j=0;j<10;j++){            if(hashmap[page[i][j]]>=1){//页面在内存中                //printf("当前访问页面在内存中，占用内存的地址为：%d，当前页面的地址为%d\n",hashmap[page[i][j]].id+1,Address(i,j));                hashmap[page[i][j]]++;//增加访问次数                sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4            }            else{//当前页面不在内存中，增加缺页次数，并调入内存                qk++;//增加缺页次数                node temp,temp1;                temp.i=i;                temp.j=j;                temp.p=page[i][j];                if(s<n){//内存使用小于4，直接调入                    //printf("页面不存在，有空的内存空间，直接调入。\n");                    temp.k=s+1;                    hashmap[page[i][j]]=1;                    q[s++]=temp;                    //记录此页已在内存中                }                else if(s>=n){//内存已占用4，按先进先出移除一个页面                    temp1=q[0];//取出队首元素                    //printf("页面不存在，内存空间已满，按算法移除页面为：%d,其地址为：%d,它占用的内存块为：%d\n",temp1.p,Address(temp1.i,temp1.j),temp1.k);                    temp.k=temp1.k;                    hashmap[page[temp1.i][temp1.j]]=0;//变为未访问                    q[0]=temp;                    hashmap[page[i][j]]=1;                }                sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4            }            for(int k=0;k<n;k++){                printf("%02d ",q[k].p);            }            printf("\n");        }    }}void Show(){    for(int i=0;i<32;i++){        for(int j=0;j<10;j++){            printf("%d ",page[i][j]);        }        printf("\n");    }}void Print(){    printf("缺页次数为：%d\n",qk);    printf("命中率为：%.3lf%%\n",1.0*(320-qk)/320*100);}int cmp(node a,node b){//实现比较函数    return hashmap[a.p]<hashmap[b.p];//访问次数小的排在最前面}