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操作系统实验三存储管理实验班级：2009211311学号：姓名：schnee目 录1.实验目的22.实验内容2(1) 通过随机数产生一个指令序列，共320条指令2(2) 将指令序列变换成为页地址流2(3) 计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率23.随机数产生办法3环境说明34.程序设计说明34.1.全局变量34.2.随机指令序列的产生44.3.FIFO算法44.4.LRU算法44.5.OPT算法55.编程实现（源程序）：56.运行结果及分析116.1.运行（以某两次运行结果为例，列表如下：）116.2.Beladys anomaly111. 实验目的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，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。2. 实验内容(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：a) 50% 的指令是顺序执行的；b) 25% 的指令是均匀分布在前地址部分；c) 25% 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) 重复上述步骤a)f)，直到执行320次指令。(2) 将指令序列变换成为页地址流设：a) 页面大小为1K；b) 用户内存容量为4页到32页；c) 用户虚存容量为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，用户指令可以组成32页。(3) 计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率a) 先进先出的算法（FIFO）；b) 最近最少使用算法（LRU）；c) 最佳淘汰算法（OPT）；命中率=1-页面失效次数/页地址流长度在本实验中，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。3. 随机数产生办法关于随机数产生办法，可以采用操作系统提供的函数，如Linux或UNIX系统提供函数srand()和rand()，分别进行初始化和产生随机数。例如：srand();语句可以初始化一个随机数；a0=10*rand()/32767*319+1;a1=10*rand()/32767*a0;语句可以用来产生a0与a1中的随机数。环境说明此实验采用的是Win7下Code:blocks 10.05编译器编程。此word实验文档中采用notepad+的语法高亮。4. 程序设计说明4.1. 全局变量const int maxn = 320; /序列个数const int max = maxn +20;/数组大小const int maxp = max/10; /最大页数int instmax;/指令序列int pagemax;/页地址流int size; /内存能容纳的页数bool inmaxp; /该页是否在内存里，提高效率int pinmaxp; /现在在内存里的页其中in数组是为了方便直接判断该页是否在内存里，而不用遍历内存里所有页来判断。fault_n用来记录缺页次数。4.2. 随机指令序列的产生按照实验要求的写了，但是由于没有考虑细节，开始时出了点问题。（1） 当m=319时，我们顺序执行m+1会产生第32页的页地址，从而使页地址没能按要求限制在0, 31之间。解决方法：采用循环模加来避免超出范围。（2） 但是这样之后有可能出现模0的问题。所以我索性将等于0的模数都赋值为160.最后的程序如下。void produce_inst() int m, n; int num = 0; while(num maxn) m = rand() % maxn; instnum+ = (m+1)%maxn; if(num = maxn) break; m = (m+2) % maxn; if(m = 0) m = 160; n = rand() % m; instnum+ = (n+1)%maxn; if(num = maxn) break; n = (n+2) % maxn; m = maxn - n; if(m = 0) m = 160; m = rand() % m + n; instnum+ = m; 4.3. FIFO算法定义变量ptr。一开始先预调页填满内存。在这一部分，ptr指向下一个要存放的位置。之后继续执行剩下的指令。此时，ptr表示队列最前面的位置，即最先进来的位置，也就是下一个要被替换的位置。ptr用循环加，即模拟循环队列。4.4. LRU算法定义数组ltu,即last_time_use来记录该页最近被使用的时间。定义变量ti模拟时间的变化，每执行一次加一。这个算法，我没有预调页，而是直接执行所有指令。若当前需要的页没在内存里，就寻找最近最少使用的页，也就是ltu最小的页，即最近一次使用时间离现在最久的页，然后替换掉它。或者在内存还未满时，直接写入，这个我以初始化内存里所有页为-1来实现。若已经在内存里了，则只遍历内存内的页，把当前页的最近使用时间改一下即可。4.5. OPT算法定义数组ntu, 即next_time_use来记录下一次被使用的时间，即将来最快使用时间。初始化为-1.开始时预调页填满内存里的页。同样利用变量ptr来表示下一个要存放的位置从而控制预调页的过程。接着初始化ntu数组为-1。然后求出每一页下一次被使用的指令号，以此代替使用时间。如果所有剩下的序列都没有用该页时，则还是-1.这种值为-1的页显然是最佳替换对象。然后执行所有剩下的指令。当该页不在内存里时，遍历ntu数组，遇到-1的直接使用该页，没有则用ntu值最大的，也就是最晚使用的。无论该页在不在内存里，因为这一次已经被使用了，所以都应该更新这个页的ntu，只需往前看要执行的页流，记录下第一个遇到的该页即可。如果没有找到同样添-1即可。5. 编程实现（源程序）：#include #include #include #include using namespace std;const int maxn = 320; /序列个数const int max = maxn +20;/数组大小const int maxp = max/10; /最大页数int instmax;/指令序列int pagemax;/页地址流int size; /内存能容纳的页数bool inmaxp; /该页是否在内存里，提高效率int pinmaxp; /现在在内存里的页void welcome() printf(*n); printf(* By schnee On2011-12-06 *n); printf(* 班级:09211311 班内序号：30 *n); printf(*nn);void input_hint() printf(n1-create new instruction sequence 2-set memory page number(4 to 32)n); printf(3-solve by FIFO algorithm 4-solve by LRU algorithmn); printf(5-solve by OPT algorithm 0-exitn); printf(*Please input Your choice: );/*通过随机数产生一个指令序列，共320条指令*/void produce_inst() int m, n; int num = 0; while(num maxn) m = rand() % maxn; instnum+ = (m+1)%maxn; if(num = maxn) break; m = (m+2) % maxn; if(m = 0) m = 160; n = rand() % m; instnum+ = (n+1)%maxn; if(num = maxn) break; n = (n+2) % maxn; m = maxn - n; if(m = 0) m = 160; m = rand() % m + n; instnum+ = m; /*将指令序列变换成为页地址流*/void turn_page_address() for(int i=0; imaxn; i+) pagei = insti/10;void FIFO_solve() memset(in, false, sizeof(in); int fault_n = 0;/缺页率 int ptr, i;/预调页填满空间 ptr = 0; /下一个要放的位置 for(i=0; imaxn & ptrsize; i+) if(!inpagei) pinptr+ = pagei; inpagei = true; fault_n+; /继续执行剩下的指令 ptr = 0;/队列里最先进来的位置，即下一个要被替换的位置 for(; imaxn; i+) if(!inpagei) inpinptr = false; inpagei = true; pinptr = pagei; fault_n+; ptr = (ptr+1) % size; printf(nBy FIFO algorithm, the fault-page number is: %dn, fault_n); printf( the hit ratio is : %.2lfn, (1-(fault_n+0.0)/320.0);void LRU_solve() int ltumaxp; /last_time_useint ti = 1; /模拟时间 int fault_n = 0; memset(ltu, 0, sizeof(ltu); memset(in, false, sizeof(in); memset(pin, -1, sizeof(pin); int min, ptr, i, j; for(i=0; imaxn; i+) if(!inpagei) /寻找lru min=1000000; ptr=0; for(j=0; jsize; j+) if(ltuj min) min = ltuj; ptr = j; /替换或写入 if(pinptr != -1) inpinptr = false; inpagei = true; pinptr = pagei; fault_n+; ltuptr = ti+; else/已经在内存里则只需更改最近使用时间 for(j=0; jsize; j+) if(pinj = pagei) ltuj = ti+; break; printf(nBy LRU algorithm, the fault-page number is: %dn, fault_n); printf( the hit ratio is : %.2lfn, (1-(fault_n+0.0)/320.0);void OPT_solve() int ntumaxp;/next_time_use int fault_n = 0; int i, j; memset(in, false, sizeof(in); memset(ntu, -1, sizeof(ntu); /预调页填满 int ptr = 0; for(i=0; imaxn & fault_nsize; i+) if(!inpagei) inpagei = true; pinptr = pagei; fault_n+; ptr+; /初始化ntu数组 ptr = 0; for(j=i; jmaxn & ptr32; j+) if(ntupagej = -1) ntupagej = j; ptr+; int max; for(; imaxn; i+) if(!inpagei) max = 0;ptr = 0; for(j=0; j max) max = ntupinj; ptr = j; inpinptr = false; inpagei = true; pinptr = pagei; fault_n+; ntupagei = -1; for(j=i+1; jmaxn; j+) if(pagej = pagei) ntupagei = j; break; printf(nBy OPT algorithm, the fault-page number is: %dn, fault_n); printf( the hit ratio is : %.2lfn, (1-(fault_n+0.0)/320.0);int main() srand(time(NULL); welcome(); int choice; while(1) input_hint(); scanf(%d, &choice); printf(n); if(choice = 0) printf(BYE-BYE!n); break; if(choice = 1) produce_inst(); turn_page_address(); printf(New page address sequence is set OK!n); else if(choice = 2) printf(Please input the size of memory page number: ); scanf(%d, &size); else if(choice = 3) FIFO_solve(); else if(choice = 4) LRU_solve(); else if(choice = 5) OPT_solve(); else printf(INPUT ERROR ! n); return 0;6. 运行结果及分析6.1. 运行（以某两次运行结果为例，列表如下：）内存451015202532FIFO2852722301781359032LRU2852742241851399132OPT22120214096684832FIFO2722622061671288232LRU2712652041631308632OPT20118312792664732随着页数的增多，除了FIFO对某些序列会有Beladys anomaly（详见6.2）外，大部分情况和LRU算法、OPT算法都是缺页率减小。OPT是理想情况，效率是最高的。当然当不缺页时，所有的算法缺页次数都是把所有页调进去的次数。LRU算法有时候和FIFO算法的效率差别并不大。甚至有时候它还比FIFO低一些的。6.2. Beladys anomaly如下，我稍微改了下输入，手动输入课本上的样例，编程见证了Belady异常现。这是只有FIFO算法才有的异常。
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