1、實(shí)驗(yàn)五 存儲(chǔ)管理一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 、加深對(duì)操作系統(tǒng)存儲(chǔ)管理的理解 2 、能過(guò)模似頁(yè)面調(diào)試算法，加深理解操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的高度管理 2、 總的設(shè)計(jì)思想、環(huán)境語(yǔ)言、工具等總的設(shè)計(jì)思想：1、編寫函數(shù)計(jì)算并輸出下述各種算法的命中率 OPT頁(yè)面置換算法OPT所選擇被淘汰的頁(yè)面是已調(diào)入內(nèi)存，且在以后永不使用的，或是在最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不再被訪問(wèn)的頁(yè)面。因此如何找出這樣的頁(yè)面是該算法的關(guān)鍵?？蔀槊總€(gè)頁(yè)面設(shè)置一個(gè)步長(zhǎng)變量，其初值為一足夠大的數(shù)，對(duì)于不在內(nèi)存的頁(yè)面，將其值重置為零，對(duì)于位于內(nèi)存的頁(yè)面，其值重置為當(dāng)前訪問(wèn)頁(yè)面與之后首次出現(xiàn)該頁(yè)面時(shí)兩者之間的距離，因此該值越大表示該頁(yè)是在最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不再被訪問(wèn)的頁(yè)面，可以選擇其

2、作為換出頁(yè)面。 FIFO頁(yè)面置換算法FIFO總是選擇最先進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面予以淘汰，因此可設(shè)置一個(gè)先進(jìn)先出的忙頁(yè)幀隊(duì)列，新調(diào)入內(nèi)存的頁(yè)面掛在該隊(duì)列的尾部，而當(dāng)無(wú)空閑頁(yè)幀時(shí)，可從該隊(duì)列首部取下一個(gè)頁(yè)幀作為空閑頁(yè)幀，進(jìn)而調(diào)入所需頁(yè)面。 LRU頁(yè)面置換算法LRU是根據(jù)頁(yè)面調(diào)入內(nèi)存后的使用情況進(jìn)行決策的，它利用“最近的過(guò)去”作為“最近的將來(lái)”的近似，選擇最近最久未使用的頁(yè)面予以淘汰。該算法主要借助于頁(yè)面結(jié)構(gòu)中的訪問(wèn)時(shí)間time來(lái)實(shí)現(xiàn)，time記錄了一個(gè)頁(yè)面上次的訪問(wèn)時(shí)間，因此，當(dāng)須淘汰一個(gè)頁(yè)面時(shí)，選擇處于內(nèi)存的頁(yè)面中其time值最小的頁(yè)面，即最近最久未使用的頁(yè)面予以淘汰。 LFU頁(yè)面置換算法LFU要求為每

3、個(gè)頁(yè)面配置一個(gè)計(jì)數(shù)器（即頁(yè)面結(jié)構(gòu)中的counter），一旦某頁(yè)被訪問(wèn)，則將其計(jì)數(shù)器的值加1，在需要選擇一頁(yè)置換時(shí)，則將選擇其計(jì)數(shù)器值最小的頁(yè)面，即內(nèi)存中訪問(wèn)次數(shù)最少的頁(yè)面進(jìn)行淘汰。 NUR頁(yè)面置換算法NUR要求為每個(gè)頁(yè)面設(shè)置一位訪問(wèn)位（該訪問(wèn)位仍可使用頁(yè)面結(jié)構(gòu)中的counter表示），當(dāng)某頁(yè)被訪問(wèn)時(shí)，其訪問(wèn)位counter置為1。需要進(jìn)行頁(yè)面置換時(shí)，置換算法從替換指針開始（初始時(shí)指向第一個(gè)頁(yè)面）順序檢查處于內(nèi)存中的各個(gè)頁(yè)面，如果其訪問(wèn)位為0，就選擇該頁(yè)換出，否則替換指針下移繼續(xù)向下查找。如果內(nèi)存中的所有頁(yè)面掃描完畢未找到訪問(wèn)位為0的頁(yè)面，則將替換指針重新指向第一個(gè)頁(yè)面，同時(shí)將內(nèi)存中所有頁(yè)面的訪

4、問(wèn)位置0，當(dāng)開始下一輪掃描時(shí)，便一定能找到counter為0的頁(yè)面。2、 在主函數(shù)中生成要求的指令序列，并將其轉(zhuǎn)換成頁(yè)地址流；在不同的內(nèi)存容量下調(diào)用上述函數(shù)使其計(jì)算并輸出相應(yīng)的命中率。環(huán)境語(yǔ)言：Linux下的GNU 編譯環(huán)境三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模塊說(shuō)明程序中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、類型定義及主要的函數(shù)原型如下：1、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1） 頁(yè)面結(jié)構(gòu) typedef struct int pn, pfn, counter, time; pl_type ;pl_type pltotal_vp;其中pn為頁(yè)面號(hào)（頁(yè)號(hào)），pfn為頁(yè)幀號(hào)（物理塊號(hào)），counter為一個(gè)周期內(nèi)訪問(wèn)該頁(yè)面的次數(shù)，time為訪問(wèn)時(shí)間；pltot

5、al_vp為頁(yè)面結(jié)構(gòu)數(shù)組，由于共有320條指令，每頁(yè)可裝入10條指令，因此虛頁(yè)長(zhǎng)total_vp的值為32。（2）頁(yè)幀控制結(jié)構(gòu)struct pfc_struct int pn, pfn;struct pfc_struct *next;typedef struct pfc_struct pfc_type;pfc_type pfctotal_vp, *freepf_head, *busypf_head, *busypf_tail;其中pfctotal_vp定義用戶進(jìn)程的頁(yè)幀控制結(jié)構(gòu)數(shù)組，在該實(shí)驗(yàn)中，用戶內(nèi)存工作區(qū)是動(dòng)態(tài)變化的，最多可達(dá)到用戶進(jìn)程的虛頁(yè)數(shù)目，即32個(gè)物理塊。*freepf_head為

6、空閑頁(yè)幀頭的指針*busypf_head為忙頁(yè)幀頭的指針*busypf_tail忙頁(yè)幀尾的指針2、 變量定義(1) int atotal_instruction: 指令流數(shù)組(2) int diseffect: 頁(yè)面失效次數(shù)(3) int pagetotal_instruction: 每條指令所屬頁(yè)面號(hào)(4) int offsettotal_instruction: 每頁(yè)裝入10條指令后取模運(yùn)算得出的頁(yè)內(nèi)偏移地址(5) int total_pf: 用戶進(jìn)程的內(nèi)存頁(yè)幀數(shù)3、 主要函數(shù)(1) void initialize(int): 初始化函數(shù)該函數(shù)主要對(duì)頁(yè)面結(jié)構(gòu)數(shù)組pl和頁(yè)幀結(jié)構(gòu)數(shù)組pfc進(jìn)行

7、初始化，如置頁(yè)面結(jié)構(gòu)中的頁(yè)面號(hào)pn，初始化頁(yè)幀號(hào)pfn為空，訪問(wèn)次數(shù)counter為0，訪問(wèn)時(shí)間time為-1；同樣對(duì)頁(yè)幀數(shù)組進(jìn)行初始化，形成一個(gè)空閑頁(yè)幀隊(duì)列。(2) void OPT(int): 計(jì)算使用最佳頁(yè)面算法時(shí)的命中率(3) void FIFO(int): 計(jì)算使用先進(jìn)先出頁(yè)面置換算法時(shí)的命中率(4) void LRU(int): 計(jì)算使用最近最久未使用頁(yè)面置換算法時(shí)的命中率(5) void LFU(int): 計(jì)算使用最少使用置換算法時(shí)的命中率(6) void NUR(int): 計(jì)算使用最近未使用置換算法時(shí)的命中率四、主要算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)void FIFO(int total_p

8、f) /*先進(jìn)先出頁(yè)面置換算法*/ int i,j; pfc_type *p; initialize(total_pf); busypf_head=busypf_tail=NULL;for(i=0;i<total_instruction;i+) if(plpagei.pfn=INVALID) /*頁(yè)面失效*/ diseffect=diseffect+1;if(freepf_head=NULL) /*無(wú)空閑頁(yè)幀*/ p=busypf_head->next;plbusypf_head->pn.pfn=INVALID; /將忙頁(yè)幀隊(duì)首頁(yè)面作為換出頁(yè)面freepf_head=busy

9、pf_head; freepf_head->next=NULL;busypf_head=p; /忙頁(yè)幀頭指針后移p=freepf_head->next; /有空閑頁(yè)幀freepf_head->next=NULL;freepf_head->pn=pagei; /* 將所需頁(yè)面調(diào)入空閑頁(yè)幀 */plpagei.pfn=freepf_head->pfn;if(busypf_tail=NULL) /* 若忙頁(yè)幀隊(duì)列為空，則將其頭尾指針都指向剛調(diào)入頁(yè)面所在的頁(yè)幀 */busypf_head=busypf_tail=freepf_head;else /否則，將剛調(diào)入頁(yè)面所在的

10、頁(yè)幀掛在忙頁(yè)幀隊(duì)列尾部busypf_tail->next=freepf_head;busypf_tail=freepf_head;freepf_head=p; /空閑頁(yè)幀頭指針后移 printf("FIFO:%6.4f ",1-(float)diseffect/320);void LRU(int total_pf) /*最近最久未使用頁(yè)面置換算法*/ int i,j; int min,minj,present_time; initialize(total_pf); present_time=0;for(i=0;i<total_instruction;i+) if

11、(plpagei.pfn=INVALID) /*頁(yè)面失效*/diseffect+;if(freepf_head=NULL) /*無(wú)空閑頁(yè)幀*/min=32767;for(j=0;j<total_vp;j+) /*找出位于內(nèi)存且time值最小的頁(yè)面作為置換頁(yè)面*/if(min>plj.time && plj.pfn!=INVALID)min=plj.time;minj=j;freepf_head=&pfcplminj.pfn; /騰出一個(gè)單元plminj.pfn=INVALID;plminj.time=-1;freepf_head->next=NULL;

12、plpagei.pfn=freepf_head->pfn; /有空閑頁(yè)面,改為有效plpagei.time=present_time; /修改頁(yè)面的訪問(wèn)時(shí)間freepf_head=freepf_head->next; /減少一個(gè)free 頁(yè)面elseplpagei.time=present_time; /命中則修改該單元的訪問(wèn)時(shí)間present_time+; printf("LRU:%6.4f ",1-(float)diseffect/320);void NUR(int total_pf)/* 最近未使用頁(yè)面置換算法 */int i,j,dp,cont_flag

13、,old_dp; initialize(total_pf); dp=0;for(i=0;i<total_instruction;i+) if(plpagei.pfn=INVALID) /*頁(yè)面失效*/ diseffect+; if(freepf_head=NULL) /*無(wú)空閑頁(yè)幀*/ cont_flag=TRUE;old_dp=dp;while(cont_flag)if(pldp.counter=0&&pldp.pfn!=INVALID)cont_flag=FALSE; /找到位于內(nèi)存且未被訪問(wèn)的頁(yè)面 elsedp+;if(dp=total_vp) dp=0; /將替換

14、指針重新指向第一個(gè)頁(yè)面if(dp=old_dp)/* 若內(nèi)存中所有頁(yè)面掃描完畢未找到訪問(wèn)位為0的頁(yè)面，將內(nèi)存中所有頁(yè)面的訪問(wèn)位置0 */for(j=0;j<total_vp;j+)plj.counter=0;freepf_head=&pfcpldp.pfn; /騰出一個(gè)單元pldp.pfn=INVALID;freepf_head->next=NULL; plpagei.pfn=freepf_head->pfn; /有空閑頁(yè)面,改為有效 freepf_head=freepf_head->next; /減少一個(gè)free 頁(yè)面 else plpagei.counter

15、=1; /命中則將訪問(wèn)位置1 if(i%clear_period=0) /清零周期到，將所有訪問(wèn)位清零 for(j=0;j<total_vp;j+) plj.counter=0; printf("NUR:%6.4f ",1-(float)diseffect/320);void OPT(int total_pf) /* 最佳頁(yè)面置換算法 */ int i,j,max,maxpage,d,disttotal_vp; initialize(total_pf); for(i=0;i<total_instruction;i+) if(plpagei.pfn=INVALID

16、) /*頁(yè)面失效*/ diseffect+; if(freepf_head=NULL) /*無(wú)空閑頁(yè)面*/ for(j=0;j<total_vp;j+)if(plj.pfn!=INVALID)/所有位于內(nèi)存頁(yè)面的距離變量賦一足夠大的數(shù)distj=32767; else /不在內(nèi)存的頁(yè)面該變量則置為0distj=0;d=1; /* 對(duì)于位于內(nèi)存且在當(dāng)前訪問(wèn)頁(yè)面之后將再次被訪問(wèn)的頁(yè)面，dist重置為當(dāng)前頁(yè)面與之后首次出現(xiàn)該頁(yè)面時(shí)兩者之間的距離 */for(j=i+1;j<total_instruction;j+) if(plpagej.pfn!=INVALID && d

17、istpagej=32767) distpagej=d; d+;max=-1;/查找dist變量值最大的頁(yè)面作為換出頁(yè)面for(j=0;j<total_vp;j+) if(max<distj) max=distj; maxpage=j; freepf_head=&pfcplmaxpage.pfn; /騰出一個(gè)單元freepf_head->next=NULL;plmaxpage.pfn=INVALID; plpagei.pfn=freepf_head->pfn; /有空閑頁(yè)面,改為有效 freepf_head=freepf_head->next; /減少一個(gè)

18、free 頁(yè)面 printf("OPT:%6.4f ",1-(float)diseffect/320);void LFU(int total_pf) /* 最少使用頁(yè)面置換算法 */ int i,j,min,minpage; initialize(total_pf); for(i=0;i<total_instruction;i+) if(plpagei.pfn=INVALID) /頁(yè)面失效 diseffect+; if(freepf_head=NULL) /無(wú)空閑頁(yè)幀 min=32767;for(j=0;j<total_vp;j+) /查找位于內(nèi)存且訪問(wèn)次數(shù)最少的頁(yè)面作為換出頁(yè)面 if(min>plj.counter&&plj.pfn!=INVALID) min=plj.counter; minpage=j; plj.counter=0; freepf