操作系统 - --存储管理实验报告

河南师范大学计算机与信息技术学院实验报告

操 作 系 统 实验报告

学 号 机号： 学院机房 姓名 时间 4.6-4.13 / 4.7-4.14 年 级 2003 班级 填实际班级 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： ①50%的指令是顺序执行的；

②25%的指令是均匀分布在前地址部分； ③25%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A—E，直到执行320次指令。 2、指令序列变换成页地址流，设： ①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； C. OPT最佳置换算法。

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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

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存中所有页面的访问位置0，当开始下一轮扫描时，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 pl[total_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；pl[total_vp]为页面结构数组，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 pfc[total_vp], *freepf_head, *busypf_head, *busypf_tail;

其中pfc[total_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 *busypf_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 a[total_instruction]: 指令流数组 (2) int diseffect: 页面失效次数

(3) int page[total_instruction]: 每条指令所属页面号

(4) int offset[total_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

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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) /*先进先出页面置换算法*/ {

int i,j;

pfc_type *p;

initialize(total_pf); busypf_head=busypf_tail=NULL;

for(i=0;i

if(pl[page[i]].pfn==INVALID) /*页面失效*/

{

diseffect=diseffect+1;

if(freepf_head==NULL) /*无空闲页帧*/ { }

p=freepf_head->next; //有空闲页帧 freepf_head->next=NULL;

freepf_head->pn=page[i]; /* 将所需页面调入空闲页帧 */ pl[page[i]].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

p=busypf_head->next;

pl[busypf_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

面所在的页帧 */

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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 }

freepf_head=p; //空闲页帧头指针后移

busypf_tail->next=freepf_head; busypf_tail=freepf_head;

}

}

printf(\}

void LRU(int total_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;i

if(pl[page[i]].pfn==INVALID) /*页面失效*/ {

diseffect++;

if(freepf_head==NULL) /*无空闲页帧*/ {

min=32767;

for(j=0;j

freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn]; //腾出一个单元 pl[minj].pfn=INVALID; pl[minj].time=-1; freepf_head->next=NULL;

if(min>pl[j].time && pl[j].pfn!=INVALID) { }

min=pl[j].time; minj=j;

面*/

}

pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn; //有空闲页面,改为有效 pl[page[i]].time=present_time; //修改页面的访问时间

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}

freepf_head=freepf_head->next; //减少一个free 页面

else

pl[page[i]].time=present_time; //命中则修改该单元的访问时间

present_time++;

}

printf(\}

void NUR(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;i

if(pl[page[i]].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(pl[dp].counter==0&&pl[dp].pfn!=INVALID)

cont_flag=FALSE; //找到位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 */

}

freepf_head=&pfc[pl[dp].pfn]; //腾出一个单元

}

}

for(j=0;j

pl[j].counter=0;

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}

pl[dp].pfn=INVALID; freepf_head->next=NULL;

}

pl[page[i]].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

pl[page[i]].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=0;j

pl[j].counter=0;

}

} }

void OPT(int total_pf) /* 最佳页面置换算法 */ {

int i,j,max,maxpage,d,dist[total_vp]; initialize(total_pf);

for(i=0;i

{

if(pl[page[i]].pfn==INVALID) /*页面失效*/ {

diseffect++;

if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/ {

for(j=0;j

/* 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;j

if(pl[j].pfn!=INVALID)//所有位于内存页面的距离变量赋一足够大的数

dist[j]=32767;

printf(\

else //不在内存的页面该变量则置为0

dist[j]=0;

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}

}

if(pl[page[j]].pfn!=INVALID && dist[page[j]]==32767)

dist[page[j]]=d;

d++;

max=-1;

//查找dist变量值最大的页面作为换出页面 for(j=0;j

freepf_head=&pfc[pl[maxpage].pfn]; //腾出一个单元 freepf_head->next=NULL; pl[maxpage].pfn=INVALID;

if(max

max=dist[j]; maxpage=j;

}

}

pl[page[i]].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(\}

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;i

{

if(pl[page[i]].pfn==INVALID) //页面失效 {

diseffect++;

if(freepf_head==NULL) //无空闲页帧 {

min=32767;

for(j=0;j

{ //查找位于内存且访问次数最少的页面作为换出页面

if(min>pl[j].counter&&pl[j].pfn!=INVALID) {

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}

}

}

min=pl[j].counter; minpage=j;

pl[j].counter=0;

freepf_head=&pfc[pl[minpage].pfn]; //腾出一个单元 pl[minpage].pfn=INVALID; freepf_head->next=NULL;

pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn; //有空闲页面,改为有效 pl[page[i]].counter++; //增加页面访问次数 freepf_head=freepf_head->next; //减少一个free 页面

} else

pl[page[i]].counter++; //命中增加页面访问次数

}

printf(\}

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4~25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

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算法之间的差别一般在6~12个百分点左右。在内存页面为25~32个页面时，由于用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：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6wph.html