东华大学操作系统存储管理实验报告Word格式文档下载.docx

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一、实验概述

1.实验目标

存储管理的主要功能之一是合理地分配空间。

请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。

本实验的目的是通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计，了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式管理的页面置换算法。

2.实验要求

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：

l50%的指令是顺序执行的；

l25%的指令是均匀分布在前地址部分。

l25%的指令是均匀分布在后地址部分。

2）将指令序列变换成页地址流

l页面大小=10条指令

l4页<

=用户内存容量<

=32页；

l用户虚存容量=32页；

l在用户虚存中，按每K存放10条指令排列虚存地址

3）计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率。

l先进先出的算法（FIFO）；

l最近最少使用算法（LRU）；

l最佳淘汰算法（OPT）；

l命中率=1-页面失效次数/页地址流长度；

输出以表结构输出，行头是页码，列头是对应替换算法。

在本实验中，页地址流长度为320，页面失效次数为每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存的次数。

二、实验内容

1.设计思路

总体思路：

设计存储管理类（classStorageManagemen），封装FIFO，LRU,OPT算法实现函数与各自所需公共或个体数据机构和公共代码部分，实现“TOP-DOWN”的程序设计思想，增强代码结构性和可读性。

1）先进先出的算法（FIFO）：

FIFO是最简单的页置换算法，FIFO的页置换的算法为每个页记录着该页调入内存的时间。

当必须置换一页时，将选择最旧的页。

注意并不需要记录调入一页的确切时间，可以创建一个FIFO队列来管理内存中的所有页。

队列中的首页将被置换。

当需要调入页时，将它加入到队列的尾部。

FIFO的页置换算法很好理解和实现，但是，其性能并不是很好。

所替代的页可能是很久以前使用的、现已不再使用的初始化模块，另一方面，所替代的页可能包含一个以前初始化的并且不断使用的常用变量。

2）最近最少使用算法（LRU）：

选择最近最长时间未访问过的页面予以淘汰，默认过去一段时间内未访问过的页面，在最近的将来可能也不会被访问。

本实验实现算法通过为每个页面设置一个访问字段，用来记录页面自上次被访问以来所经历的时间，淘汰页面时选择现有页面中值最大的予以淘汰。

尽管各类参考书声明LRU算法为堆栈类算法，但本实验通过优先队列完全可以实现。

3）最佳淘汰算法（OPT）：

最佳置换算法所选择的被淘汰页面将是以后永不使用，或者是在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证获得最低的缺页率。

本实验实现算法通过为每个页面设置一个CPU使用“间隔”——即表示CPU将在未处理的页面序列中第几步处理到该页面，如果页面不再被CPU处理，赋值为极大值（INT_MAX），淘汰页面时选择现有页面中值最大的予以淘汰。

本实验同LRU一样，通过优先队列实现。

2.主要数据结构

1）公共部分：

classStorageManagement：

存储管理类，封装所有算法。

uconstintMAX_OP_NUM：

操作页面最大数，默认320

uconstintMAX_MEMORY_PAGE：

用户内存存储物理块数最大值，默认32

uintPage_OP[MAX_OP_NUM]：

访问页面序列，随机生成

udoubleMiss：

每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存的次数

udoubleTotal：

页面置换次数

uintTMAX_MEMEORY_PAGE：

用户内存存储物理块数

uboolisEmpty：

内存是否占满

2）先进先出的算法（FIFO）：

uqueue<

int>

q：

内存存储队列，先进先出

3）最近最少使用算法（LRU）：

ustructLpage：

uLpagelPage[MAX_MEMORY_PAGE]：

FIFOLRU进程页面

upriority_queue<

Lpage>

内存存储优先队列，最近使用次数大者优先级高

qq：

LRU中用于修改最近使用时间函数的临时队列

4）最佳淘汰算法（OPT）：

ustructOpage：

uOpageoPage[MAX_MEMORY_PAGE]：

OPT进程页面

Opage>

内存存储优先队列，CPU使用间隔大者优先级高

OPT中用于修改使用间隔的临时队列

3.主要代码结构

uintmain（）：

Main函数菜单界面

uvoidInitial（intn）：

用于初始化各算法参数的函数

uvoidOutput（intn）：

控制输出函数

uvoidalterLateUse（priority_queue<

&

q,intPos）：

LRU中用于修改内存中页面最近使用时间

ualterDist（priority_queue<

q,intn,int*Page_OP）：

OPT中用于修改内存中页面使用间隔

4.主要代码段分析（加粗下划线部分为核心）

按照实验要求，随机生成320条随机数指令流，同时转换为页地址流

（分析部分见注释）

主要代码控制部分（（分析部分见注释）：

a）主要代码控制部分：

b）修改最近使用时间函数：

u片段1：

当待访问页面不在内存存储中，无论内存存满与否，内存中所有页面最近使用次数增加；

u片段2：

当待访问页面已在内存存储中，对应内存存储页最近使用次数清0；

b）修改CPU使用间隔函数：

当待访问页面不在内存存储中且内存已满，需要进行页面置换时，遍历未处理页面序列，找出内存中CPU永不处理页面并替换，否则替换CPU使用时间最晚（CPU使用间隔）的页面；

对于内存中CPU永不处理页面，对应CPU使用间隔赋极大值INT_MAX，实现在优先队列中优先弹出，实现页面置换；

三、实验结果

1.基本数据：

程序内随机生成。

2.源代码行数：

代码共274行。

3.完成实验投入时间：

累计共12小时

4.讨论次数：

0次

5.测试结果分析：

测试结果分析：

综上比较，帧较少时，OPT算法命中率较高。

其次是LRU。

四、实验体会

1.实验过程中遇到问题及解决过程

问题：

初次完成代码后，发现LRU算法和OPT算法命中率相同。

解决过程：

初始阶段，一直在调试OPT算法，后来通过模拟数据，调试发现LRU算法有几处Bug后，之后OPT算法根据结果调试了很久终于解决问题。

2.实验体会和收获

页面替换算法实际早在计算机组成原理课中上过，当时仅仅局限于理论理解，没有进行上机模拟，所以理解比较肤浅，故实验前着重熟悉了各置换算法的原理和实现方式。

所谓“谋定而后动”，上机实践还是遵循着程序设计=数据结构+算法的原则，成熟的算法和理想的数据结构可以使程序设计事半功倍。

在认真温习原理和设定算法后，基于算法设计数据结构，本实验中根据各置换算法不同特点，分别选用普通队列，优先队列来实现算法。

通过实践操作即加深了对于页面置换算法的深刻理解，又熟悉掌握了常用数据结构的用法。

尽管调试代码，发现bug非常煎熬（熬夜到半夜才修复所有Bug），但是最后圆满解决问题的成就感也是无与伦比的。

五、参考文献

[1].汤小丹，梁红兵等著.《计算机操作系统（第三版）》

[2].王道论坛组编. 《2013年计算机操作系统联考复习指导》

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