实验五存储管理实验报告.doc

计算机与信息技术学院综合性实验报告

专业：计算机科学与技术 年级/班级：2009级 2011—2012学年第一学期
课程名称
计算机操作系统
指导教师
齐娜
学号姓名
0908114006 司景霞
实验地点
过街楼D区
实验时间
周三晚
项目名称
基于优先数的进程调度
实验类型
综合性

一、 实验目的
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。
二、 实验仪器或设备
微型计算机、Linux操作系统、dev C++
三、 总体设计
1、通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。其地址按下述原则生成：
①50%的指令是顺序执行的；
②25%的指令是均匀分布在前地址部分；
③25%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A—E，直到执行320次指令。
2、指令序列变换成页地址流，设：
①页面大小为1K；
②用户内存容量为4页到32页；
③用户虚存容量为32K。
在用户虚存中，按每页存放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，用户指令可组成32页。
3、计算并输出下述算法在不同内存容量下的命中率。
A. FIFO先进先出置换算法；
B. LRU最近最久未使用置换算法；
C. NUR最近未使用置换算法。
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。
4、相关定义
(1)数据结构
页面类型
typedef struct /*页面结构*/
{
int pn,pfn,time;
}pl_type;
其中pn为页面号，pfn为页帧号，time为访问时间
页帧控制结构
struct pfc_struct{ /*页帧控制结构*/
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_type pfc[total_vp]定义用户进程虚页控制结构
*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)函数定义
void initialize(int):初始化函数
void FIFO(int):计算使用FIFO算法时的命中率
void LRU(int):计算使用LRU算法时的命中率
void NRU(int):计算使用NRU算法时的命中率
(3)变量定义
int a[total_instruction]:指令流数组
int diseffect:页面失效次数
int page[total_instruction]:每条指令所属页面号
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
int total_pf:用户进程的内存页面数
四、 实验步骤
按照流程图编写代码、并上机调试运行
程序代码：
#include <stdlib.h>
#include <stio.h>
#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
#define total_instruction 320 /*指令流长*/
#define total_vp 32 /*虚页长*/

typedef struct /*页面结构*/
{
int pn,pfn,time;
}pl_type;
pl_type pl[total_vp]; /*页帧结构数组*/
struct pfc_struct{ /*页帧控制结构*/
int pn,pfn;
struct pfc_struct *next;
};
typedef struct pfc_struct pfc_type;
pfc_type pfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;
int diseffect,a[total_instruction];
int page[total_instruction],offset[total_instruction];
void initialize(int);
void FIFO(int);
void LRU(int);
void NRU(int);
int main( )
{
int s,i;
/*由于每次运行时进程号不同，故可用来作为初始化随机数队列的“种子”*/
srand(10*getpid());
s=(float)319*rand( )/RAND_MAX+1;
for(i=0;i<total_instruction;i+=4) /*产生指令队列*/
{
a[i]=s; /*任选一指令访问点m*/
a[i+1]=a[i]+1; /*顺序执行一条指令*/
a[i+2]=(float)a[i]*rand( )/RAND_MAX; /*执行前地址指令m' */
a[i+3]=a[i+2]+1; /*顺序执行一条指令*/
s=(float)(318-a[i+2])*rand( )/RAND_MAX+a[i+2]+2;
}
for (i=0;i<total_instruction;i++) /*将指令序列变换成页地址流*/
{
page[i]=a[i]/10;
offset[i]=a[i]%10;
}
for(i=4;i<=32;i++) /*用户内存工作区从4个页帧到32个页帧*/
{
printf("%2d page frames ",i);
void FIFO(int);
void LRU(int);
void NRU(int);
printf("\n");
}
}
void initialize(int total_pf) /*初始化相关数据结构*/
{
int i;
diseffect=0;
for(i=0;i<total_vp;i++)
{ pl[i].pn=i;
pl[i].pfn=INVALID;
pl[i].time=-1;
}
for(i=0;i<total_pf-1;i++)
{ pfc[i].next=&pfc[i+1];
pfc[i].pfn=i;
} /*建立pfc[i-1]和pfc[i]之间的链接*/
pfc[total_pf-1].next=NULL;
pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;
freepf_head=&pfc[0]; /*空页面队列的头指针为pfc[0]*/
}
void FIFO(int total_pf) /*先进先出算法*/
int total_pf; /* 用户进程的内存页面数 */
{ int i,j;
pfc_type *p, *t;
initialize(total_pf); /* 初始化相关页面控制用数据结构*/
busypf_head=busypf_tail=NULL: /* 忙页面队列头,队列尾链接 */
for(i=0;i=total_instruction;i++)
{ if(p1[page[i]].pfn= =INVALID） /* 页面失效 */
{ disaffect+=1； /* 失效次数 */
if（freep_headf= =NULL） /* 无空闲页面 */
{ p=busypf_head->next;
p1[busypf_head->pn].pfn=INVALID;
freepf_head=busypf_head; /*释放忙页面队列中的第一个页面*/
freepf_head->next=NULL:
busypf_head=p;
}
p=freepf_head->next; /* 按FIFO方式调新页面入内存页面 */
freepf_head->next=NULL:
freepf_head->pn=page[i];
p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
if(busypf_tail= =NULL)
busypf_head=busypf_tail=freepf_head;
else
{ busypf_tail->next=freepf_head;
busypf_tail=freepf_head;
}
freepf_head=p;
}
}
printf(“FIFO:%6.4f”,1-(float)disaffect/320);
}
void LRU (int total_pf) /*最近最久未使用算法*/
int total_pf;
{ int min,minj,i,j,present_time;
initialize(total_pf);
present_time=0;
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{ if(p1[page[i]].pfn= =INVALID) /* 页面失效 */
{ disaffect++;
if(freepf_head= =NULL) /* 无空闲页面 */
{ min=32767;
for(j=0;j<total_vp;j++)
if(min>p1[j].time&&p1[j].pfn !=INVALID)
{ min=p1[j].time;minj=j;
}
freepf_head=&pfc[p1[minj].pfn];
p1[minj].pfn=INVALID;
p1[min].time=-1;
freepf_head->next=NULL;
}
p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
p1[page[i]].time=present_time;
freepf_head=freepf_head->next;
}
else
p1[page[i]].time=present_time;
present_time++;
}
printf(“LRU:%6.4f”,1-(flaot)disaffect/320);
}
void NRU(int total_pf) /*最近未使用置换算法*/
int total_pf;
{ int i,j,dp,cont_flag,old_dp;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
dp=0;
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{ if(p1[page[i]].pfn= =INVALID) /* 页面失效 */
{ diseffect++;
if(freepf_head= =NULL) /* 无空闲页面 */
{ cont_flag=TRUE;
old_dp=dp;
while(cont_flag)
if(p1[dp].counter= =0 && p1[dp].pfn!=INVALID)
cont_flag=FLASE;
else
{ dp++;
if(dp= =total_vp)
dp=0;
if(dp= =old_dp)
for(j=0;j<total_vp;j++)
p1[j].counter=0;
}
freepf_head=&pfc[p1[dp].pfn];
p1[dp].pfn=INVALID;
freepf_head->next=NULL:
}
p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head=freepf_head->next;
}
else
p1[page[i]].counter=1;
if(i%clear_period= =0)
for(j=0;j<total_vp;j++)
p1[j].counter=0;
}
printf(“NUR:%6.4f”,1-(float)disaffect/320);
}

void OPT(total_pf)
int total_pf;
{ int i,j,max,maxpage,d,dist[total_vp];
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{ if(p1[page[i]].pfn= =INVALID)
{ diseffect++;
if(freepf_head= =NULL)
{ for(j=0;j<total_vp;j++)
if(p1[j].pfn !=INVALID)
dist[j]=32767;
else
dist[j]=0;
d=1;
for(j=i+1;j<total_instruction;j++)
{ if(p1[page[j]].pfn!=INVALID)
dist[page[j]]=d;
d++;
}
max=-1;
for(j=0;j<total_vp;j++)
if(max<dist[j])
{ max=dist[j];
maxpage=j;
}
freepf_head=&pfc[p1[maxpage].pfn];
freepf_head->next=NULL;
p1[maxpage].pfn=INVALID;
}
p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head=freepf_head->next;
}
}
printf(“OPT:%6.4f”,1-(float)disaffect/320);
}
显示结果：
4 page frames FIFO:0.4969 LRU:0.5000 NUR:0.5000
5 page frames FIFO:0.5188 LRU:0.5125 NUR:0.5062
6 page frames FIFO:0.5281 LRU:0.5188 NUR:0.5344
7 page frames FIFO:0.5406 LRU:0.5500 NUR:0.5562
8 page frames FIFO:0.5500 LRU:0.5719 NUR:0.5531
9 page frames FIFO:0.5625 LRU:0.5812 NUR:0.5781
10 page frames FIFO:0.5844 LRU:0.5969 NUR:0.5969
11 page frames FIFO:0.5938 LRU:0.6094 NUR:0.6250
12 page frames FIFO:0.6156 LRU:0.6281 NUR:0.6594
13 page frames FIFO:0.6375 LRU:0.6344 NUR:0.6500
14 page frames FIFO:0.6844 LRU:0.6625 NUR:0.6500
15 page frames FIFO:0.6844 LRU:0.6812 NUR:0.6875
16 page frames FIFO:0.7062 LRU:0.7062 NUR:0.7094
17 page frames FIFO:0.7094 LRU:0.7125 NUR:0.7250
18 page frames FIFO:0.7188 LRU:0.7281 NUR:0.7344
19 page frames FIFO:0.7281 LRU:0.7531 NUR:0.7531
20 page frames FIFO:0.7281 LRU:0.7656 NUR:0.7594
21 page frames FIFO:0.7812 LRU:0.7781 NUR:0.7906
22 page frames FIFO:0.7875 LRU:0.7937 NUR:0.8125
23 page frames FIFO:0.7960 LRU:0.8094 NUR:0.8187
24 page frames FIFO:0.8000 LRU:0.8219 NUR:0.8219
25 page frames FIFO:0.8344 LRU:0.8312 NUR:0.8344
26 page frames FIFO:0.8625 LRU:0.8438 NUR:0.8594
27 page frames FIFO:0.8625 LRU:0.8652 NUR:0.8781
28 page frames FIFO:0.8750 LRU:0.8656 NUR:0.8812
29 page frames FIFO:0.8844 LRU:0.8781 NUR:0.8812
30 page frames FIFO:0.8875 LRU:0.8875 NUR:0.8906
31 page frames FIFO:0.8875 LRU:0.8906 NUR:0.9000
32 page frames FIFO:0.9000 LRU:0.9000 NUR:0.9000
五、 结果分析与总结
从上述结果可知，当内存页面数较少（4~5页面）时，5种算法的命中率差别不大，都是50%左右。当内存页面为7~25个页面之间时，5种算法的访问命中率大致在52%至87%之间变化。但是，FIFO算法与OPT算法之间的差别一般在6~10个百分点左右。当内存页面为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，从而命中率已增加较大。从而算法之间的差别不大。
比较上述3种算法，以NUR算法的命中率最高，LRU算法次之，最后是FIFO算法。通过本次综合性实验，我对存储器管理有了更深一步的学习，同时将这几种算法比较分析，提高自己分析问题和解决问题的能力。

教师签名：

年 月 日