操作系统存储管理实验介绍_操作系统存储管理实验

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河南师范大学计算机与信息技术学院实验报告

实验五 存储管理

一、实验目的1、加深对操作系统存储管理的理解

2、能过模似页面调试算法，加深理解操作系统对内存的高度管理

二、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

河南师范大学计算机与信息技术学院实验报告

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

三、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

四、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(“FIFO:%6.4f ”,1-(float)diseffect/320);} 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(“LRU:%6.4f ”,1-(float)diseffect/320);} 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

} } } 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

for(j=0;j

} d=1;/* 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

dist[j]=32767;printf(“NUR:%6.4f ”,1-(float)diseffect/320);

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(“OPT:%6.4f ”,1-(float)diseffect/320);} 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

min=32767;for(j=0;j

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(“LFU:%6.4f ”,1-(float)diseffect/320);}

五、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。

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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。

六、总结

经过测试结果完全正常。经过编写和学习让我对操作系统方面的知识更深一步的得到了理解和巩固。让我在今后的学习中可以更好的去理解和体会。