操作系统课程设计-页面置换算法

一．题目要求：

设计一个虚拟存储区和内存工作区，编程序演示下述算法的具体实现过程，并计算访问命中率：

要求设计主界面以灵活选择某算法，且以下算法都要实现

1) 最佳置换算法(OPT)：将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换出。

2) 先进先出算法(FIFO)：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。

3) 最近最久未使用算法(LRU)：淘汰最近最久未被使用的页面。

二．实验目的：

1、用C语言编写OPT、FIFO、LRU三种置换算法。

2、熟悉内存分页管理策略。

3、了解页面置换的算法。

4、掌握一般常用的调度算法。

5、根据方案使算法得以模拟实现。

6、锻炼知识的运用能力和实践能力。

三．相关知识：

1．虚拟存储器的引入：

   局部性原理：程序在执行时在一较短时间内仅限于某个部分；相应的，它所访问的存储空间也局限于某个区域，它主要表现在以下两个方面：时间局限性和空间局限性。

2．虚拟存储器的定义：

   虚拟存储器是只具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。

3．虚拟存储器的实现方式：

   分页请求系统，它是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能所形成的页面形式虚拟存储系统。

   请求分段系统，它是在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后，所形成的段式虚拟存储系统。

4．页面分配：

       平均分配算法，是将系统中所有可供分配的物理块，平均分配给各个进程。

   按比例分配算法，根据进程的大小按比例分配物理块。

   考虑优先的分配算法，把内存中可供分配的所有物理块分成两部分：一部分按比例地分配给各进程；另一部分则根据个进程的优先权，适当的增加其相应份额后，分配给各进程。

5．页面置换算法：

常用的页面置换算法有OPT、FIFO、LRU、Clock、LFU、PBA等。

四．设计思想：

    选择置换算法，先输入所有页面号，为系统分配物理块，依次进行置换：

OPT基本思想：

是用一维数组page[pSIZE]存储页面号序列，memery[mSIZE]是存储装入物理块中的页面。数组next[mSIZE]记录物理块中对应页面的最后访问时间。每当发生缺页时，就从物理块中找出最后访问时间最大的页面，调出该页，换入所缺的页面。

【特别声明】

若物理块中的页面都不再使用，则每次都置换物理块中第一个位置的页面。

FIFO基本思想：

是用队列存储内存中的页面，队列的特点是先进先出，与该算法是一致的，所以每当发生缺页时，就从队头删除一页，而从队尾加入缺页。或者借助辅助数组time[mSIZE]记录物理块中对应页面的进入时间，每次需要置换时换出进入时间最小的页面。

LRU基本思想：

是用一维数组page[pSIZE]存储页面号序列，memery[mSIZE]是存储装入物理块中的页面。数组flag[10]标记页面的访问时间。每当使用页面时，刷新访问时间。发生缺页时，就从物理块中页面标记最小的一页，调出该页，换入所缺的页面。

五．流程图：

如下页所示

六．源代码：

    如下页所示【使用C语言】

#include

#include

/*全局变量*/

int mSIZE; /*物理块数*/

int pSIZE; /*页面号引用串个数*/

static int memery[10]={0}; /*物理块中的页号*/

static int page[100]={0}; /*页面号引用串*/

static int temp[100][10]={0}; /*辅助数组*/

/*置换算法函数*/

void FIFO();

void LRU();

void OPT();

/*辅助函数*/

void print(unsigned int t);

void designBy();

void download();

void mDelay(unsigned int Delay);

/*主函数*/

void main()

{

    int i,k,code;

    system("color 0A");

    designBy();

    printf("┃请按任意键进行初始化操作...                       ┃\\n");

    printf("┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛\\n");

printf(" >>>");

    getch();

    system("cls");

    system("color 0B");

    printf("请输入物理块的个数(M<=10)：");

    scanf("%d",&mSIZE);

    printf("请输入页面号引用串的个数(P<=100)：");

    scanf("%d",&pSIZE);

    puts("请依次输入页面号引用串(连续输入，无需隔开)：");

for(i=0;i        scanf("%1d",&page[i]);

    download();

    system("cls");

    system("color 0E");

    do{ 

        puts("输入的页面号引用串为：");

     for(k=0;k<=(pSIZE-1)/20;k++)

        {

         for(i=20*k;(i            {

                if(((i+1)%20==0)||(((i+1)%20)&&(i==pSIZE-1)))

                    printf("%d\\n",page[i]);

                else

                    printf("%d   ",page[i]);

            }

        }

        printf("* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *\\n");

        printf("* 请选择页面置换算法：\\\    *\\n");

        printf("* ----------------------------------------- *\\n");

        printf("* 1.先进先出(FIFO)    2.最近最久未使用(LRU) *\\n");

        printf("* 3.最佳(OPT)         4.退出                *\\n");

        printf("* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *\\n");

        printf("请选择操作：[ ]\\b\\b");

        scanf("%d",&code);

        switch(code)

        {

        case 1:

            FIFO();

            break;

        case 2:

            LRU();

            break;

        case 3:

            OPT();

            break;

        case 4:

            system("cls");

            system("color 0A");

            designBy(); /*显示设计者信息后退出*/

            printf("┃谢谢使用页面置换算法演示器!            正版授权 ㊣┃\\n");

            printf("┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛\\n");

            exit(0);

        default:

            printf("输入错误，请重新输入：");

        }

        printf("按任意键重新选择置换算法：>>>");

        getch();

        system("cls");

    }while (code!=4);

    getch();

}

/*载入数据*/

void download()

{

    int i;

    system("color 0D");

    printf("╔════════════╗\\n");

    printf("║正在载入数据，请稍候 !!!║\\n");

    printf("╚════════════╝\\n");

    printf("Loading...\\n");

    printf("                                                  O");

for(i=0;i<51;i++)

        printf("\\b");

for(i=0;i<50;i++)

    {

        mDelay((pSIZE+mSIZE)/2);

     printf(">");

    }

    printf("\\nFinish.\\n载入成功，按任意键进入置换算法选择界面：>>>");

    getch();

}

/*设置延迟*/

void mDelay(unsigned int Delay)

{ 

    unsigned int i; 

for(;Delay>0;Delay--)

    {   

     for(i=0;i<124;i++)

        {

            printf(" \\b");

        } 

    } 

}

/*显示设计者信息*/ 

void designBy()

{

    printf("┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓\\n");

    printf("┃㊣           课题三：页面置换算法               ㊣┃\\n");

    printf("┃                学号：081001117                   ┃\\n");

    printf("┃                  姓名：邢磊 ┃\\n");

    printf("┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫\\n");

}

void print(unsigned int t)

{

    int i,j,k,l;

    int flag;

for(k=0;k<=(pSIZE-1)/20;k++)

    {

     for(i=20*k;(i        {

            if(((i+1)%20==0)||(((i+1)%20)&&(i==pSIZE-1)))

                printf("%d\\n",page[i]);

            else

                printf("%d   ",page[i]);

        }

     for(j=0;j        {

         for(i=20*k;(i            {

             if(i>=j)

                    printf(" |%d|",temp[i][j]);

                else

                    printf(" | |");

            }

         for(i=mSIZE+20*k;(i            {

             for(flag=0,l=0;l                    if(temp[i][l]==temp[i-1][l])

                        flag++;

                if(flag==mSIZE)/*页面在物理块中*/

                    printf("    ");

                else

                    printf(" |%d|",temp[i][j]);

            }

            /*每行显示20个*/

            if(i%20==0)

                continue;

            printf("\\n");

        }

    }

    printf("----------------------------------------\\n");

    printf("缺页次数：%d\\",t+mSIZE);

    printf("缺页率：%d/%d\\n",t+mSIZE,pSIZE);

    printf("置换次数：%d\\",t);

    printf("访问命中率：%d%%\\n",(pSIZE-(t+mSIZE))*100/pSIZE);

    printf("----------------------------------------\\n");    

}

/*计算过程延迟*/

void compute()

{

    int i;

    printf("正在进行相关计算，请稍候");

for(i=1;i<20;i++)

    {

        mDelay(15);

        if(i%4==0)

            printf("\\b\\b\\b\\b\\b\\b      \\b\\b\\b\\b\\b\\b");

        else

            printf("Θ");

    }

for(i=0;i++<30;printf("\\b"));

for(i=0;i++<30;printf(" "));

for(i=0;i++<30;printf("\\b"));

}

/*先进先出页面置换算法*/

void FIFO()

{

    int memery[10]={0};

    int time[10]={0}; /*记录进入物理块的时间*/

    int i,j,k,m;

    int max=0; /*记录换出页*/

    int count=0; /*记录置换次数*/

    /*前mSIZE个数直接放入*/

for(i=0;i    {

        memery[i]=page[i];

        time[i]=i;

for(j=0;j            temp[i][j]=memery[j];

    }

for(i=mSIZE;i    {

        /*判断新页面号是否在物理块中*/

for(j=0,k=0;j        {

            if(memery[j]!=page[i])

                k++;

        }

        if(k==mSIZE) /*如果不在物理块中*/

        {

            count++;

            /*计算换出页*/

max=time[0]         for(m=2;m             if(time[m]                    max=m;

            memery[max]=page[i];

            time[max]=i; /*记录该页进入物理块的时间*/

for(j=0;j                temp[i][j]=memery[j];

        }

        else

        {

for(j=0;j                temp[i][j]=memery[j];

        } 

    }

    compute();

    print(count);

}

/*最近最久未使用置换算法*/

void LRU()

{

    int memery[10]={0};

    int flag[10]={0}; /*记录页面的访问时间*/

    int i,j,k,m;

    int max=0; /*记录换出页*/

    int count=0; /*记录置换次数*/

    /*前mSIZE个数直接放入*/

for(i=0;i    {

        memery[i]=page[i];

        flag[i]=i;

for(j=0;j            temp[i][j]=memery[j];

    }

for(i=mSIZE;i    {

        /*判断新页面号是否在物理块中*/

for(j=0,k=0;j        {

            if(memery[j]!=page[i])

                k++;

            else 

                flag[j]=i; /*刷新该页的访问时间*/

        }

        if(k==mSIZE) /*如果不在物理块中*/

        {

            count++;

            /*计算换出页*/

max=flag[0]         for(m=2;m             if(flag[m]                    max=m;

            memery[max]=page[i];

            flag[max]=i; /*记录该页的访问时间*/

for(j=0;j                temp[i][j]=memery[j];

        }

        else

        {

for(j=0;j                temp[i][j]=memery[j];

        }

    }

    compute();

    print(count);

}

/*最佳置换算法*/

void OPT()

{

    int memery[10]={0};

    int next[10]={0}; /*记录下一次访问时间*/

    int i,j,k,l,m;

    int max; /*记录换出页*/

    int count=0; /*记录置换次数*/

    /*前mSIZE个数直接放入*/

for(i=0;i    {

        memery[i]=page[i];

for(j=0;j            temp[i][j]=memery[j];

    }

for(i=mSIZE;i    {

        /*判断新页面号是否在物理块中*/

for(j=0,k=0;j        {

            if(memery[j]!=page[i])

                k++;

        }

        if(k==mSIZE) /*如果不在物理块中*/

        {

            count++;

            /*得到物理快中各页下一次访问时间*/

         for(m=0;m            {

             for(l=i+1;l                    if(memery[m]==page[l])

                        break;

                next[m]=l;

            }

            /*计算换出页*/

         max=next[0]>=next[1]?0:1;

         for(m=2;m             if(next[m]>next[max])

                    max=m;

            /*下一次访问时间都为pSIZE,则置换物理块中第一个*/

            memery[max]=page[i];

         for(j=0;j                temp[i][j]=memery[j];

        }

        else {

for(j=0;j                temp[i][j]=memery[j];

        }

    }

    compute();

    print(count);

}

七．运行结果：

    【运行环境——Visual C++ 6.0】

    1. 按任意键进行初始化：

    2. 载入数据：

    3. 进入置换算法选择界面：

4.运算中延迟操作：

5.三种算法演示结果：

6.退出界面：

八．参考文献：

1. 严蔚敏, 吴伟民. 数据结构. 清华大学出版社, 2005.11

2. 谭浩强. C语言程序设计. 清华大学出版社, 2005.11

3. 于帆, 赵妮. 程序设计基础(C语言版). 清华大学出版社, 2006.11

4. 汤小丹, 梁红兵, 哲凤屏, 汤子瀛. 计算机操作系统. 西安电子科技大学出版社, 2007.5