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通达学院专业课程设计I（2012/2013学年 第2学期）题 目： 虚拟存储中页面调度算法的模拟实现 专 业 计算机科学与技术（专转本） 学 生 姓 名 印佳 班 级 学 号 10006404 指 导 教 师 徐小龙 指 导 单 位 计算机学院计算机科学与技术系日 期 2013年6月28日 南京邮电大学专业课程设计I指导教师成绩评定表题目虚拟存储中页面调度算法的模拟实现学生姓名印佳班级学号10006404专业计算机科学与技术评分内容评分标准优秀良好中等差平时成绩认真对待课程设计，遵守实验室规定，上机不迟到早退，不做和设计无关的事。设计成果设计的科学、合理性功能丰富、符合设题目要求 界面友好、外观漂亮、大方设计的原创性设计报告设计报告正确合理、反映系统设计流程文档内容详实程度文档格式规范、排版美观答辩简练、准确阐述设计内容，能准确有条理回答各种问题，系统演示顺利。评分等级优秀、 良好、 中等、 及格、 不及格指导教师签名或签章日期2013-6-28备注评分等级有五种：优秀、良好、中等、及格、不及格摘 要在地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不再内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。在进程运行过程中，若其所要访问的页面不在内存需把它们调入内存，但内存已无空闲空间时，为了保证该进程能正常运行，系统必须从内存中调出一页程序或数据，送磁盘的对换区中。但应将哪个页面调出，所以需要根据一定的算法来确定。常用的算法有先进先出置换算法（FIFO）, 最近最久未使用置换算法（LRU）和最佳置换算法（OPT），该设计是在VC+6.0环境下分别用LRU和FIFO来实现页面置换算法的模拟程序，并测试。关键词：页面置换算法模拟程序、FIFO、LRU、OPT。1设计内容1.1页面置换算法及其分类在地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不再内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内 存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。 常见的置换算法有： 1最佳置换算法（OPT）（理想置换算法） 2先进现出置换算法（FIFO）： 3最近最久未使用（LRU）算法 4Clock置换算法（LRU算法的近似实现） 5最少使用（LFU）置换算法 6页面缓冲置换算法1.2关于页面置换算法模拟程序问题的产生在各种存储器管理方式中，有一个共同的特点，即它们都要求将一个作业全部装入内存方能运行，但是有两种情况：（1） 有的作业很大，不能全部装入内存，致使作业无法运行；（2） 有大量作业要求运行，但内存容量不足以容纳所有这些作业。而虚拟内存技术正式从逻辑上扩充内存容量，将会解决以上两个问题。从内存中调出一页程序或数据送磁盘的对换区中，通常，把选择换出的页面的算法称为页面置换算法（Page-Replacement Algorithms）。进而页面置换算法模拟程序能客观的将其工作原理展现在我们面前。2设计目的与要求2.1掌握查看实时查看内存、内存回收的方法。2.2进一步掌握虚拟存储器的实现方法。2.3掌握各种页面置换算法。2.4比较各种页面置换算法的优缺点。2.5锻炼知识的运用能力和实践能力。3设计环境或器材、原理与说明3.1软件环境Microsoft Visual C+ 6.03.2设计原理由于人们需要的内存容量远远大于物理内存容量，因而有各种策略来解决这个问题，其中最成功的是虚拟内存技术。Linux虚拟内存的实现需要6种机制的支持：地址映射机制、内存分配回收机制、缓存和刷新机制、请求页机制、交换机制和内存共享机制。内存管理程序通过映射机制把用户程序的逻辑地址映射到物理地址。当用户程序运行时，如果发现程序需要的虚拟地址没有对应的物理内存，即发出请求页要求。如果有空闲的内存可供分配，就请求分配内存（用到内存的分配和回收），并把正在使用的物理页记录在缓存中（用到缓存机制）。如果没有足够的内存可供分配，则调用交换机制，腾出一部分内存。另外，在地址映射中要通过TLB（翻译后缓存储器）寻找物理页；交换机制中用到交换缓存，并且把物理页内容交换到交换文件中，也要修改页表来映射文件地址。3.3设计相关知识3.3.1虚拟存储器的引入： 局部性原理：程序在执行时在一较短时间内仅限于某个部分；相应的，它所访问的存储空间也局限于某个区域，它主要表现在以下两个方面：时间局限性和空间局限性。3.3.2虚拟存储器的定义： 虚拟存储器是只具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。3.3.3虚拟存储器的实现方式： 分页请求系统，它是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能所形成的页面形式虚拟存储系统。 请求分段系统，它是在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后，所形成的段式虚拟存储系统。3.3.4页面分配： 平均分配算法，是将系统中所有可供分配的物理块，平均分配给各个进程。 按比例分配算法，根据进程的大小按比例分配物理块。 考虑优先的分配算法，把内存中可供分配的所有物理块分成两部分：一部分按比例地分配给各进程；另一部分则根据个进程的优先权，适当的增加其相应份额后，分配给各进程。3.3.5页面置换算法：常用的页面置换算法有OPT、FIFO、LRU、Clock、LFU、PBA等。本设计主要实现OPT、FIFO、LRU算法。4.设计过程文档4.1需求计划学习虚拟存储机制中页面调度算法，通过编程模拟实现页面调度的相关算法（FIFO、LRU和OPT算法），比较各种算法的性能。4.2需求设计选择置换算法，先输入所有页面号，为系统分配物理块，依次进行置换：OPT基本思想：是用一维数组pagepSIZE存储页面号序列，memerymSIZE是存储装入物理块中的页面。数组nextmSIZE记录物理块中对应页面的最后访问时间。每当发生缺页时，就从物理块中找出最后访问时间最大的页面，调出该页，换入所缺的页面。【特别声明】若物理块中的页面都不再使用，则每次都置换物理块中第一个位置的页面。FIFO基本思想：是用队列存储内存中的页面，队列的特点是先进先出，与该算法是一致的，所以每当发生缺页时，就从队头删除一页，而从队尾加入缺页。或者借助辅助数组timemSIZE记录物理块中对应页面的进入时间，每次需要置换时换出进入时间最小的页面。LRU基本思想：是用一维数组pagepSIZE存储页面号序列，memerymSIZE是存储装入物理块中的页面。数组flag10标记页面的访问时间。每当使用页面时，刷新访问时间。发生缺页时，就从物理块中页面标记最小的一页，调出该页，换入所缺的页面。4.3概要设计主要设计流程图如下：将页号放入物理块中，编号加1引用串编号大于物理块数?载入页号序列，从第0个得到页号开始页号在物理块中?根据选择的置换算法完成置换页号序列载完?结束是否是是是是4.4详细设计（主要代码）4.4.1FIFO（先进先出页面置换算法）void FIFO() int memery10=0; int time10=0; /*记录进入物理块的时间*/ int i,j,k,m; int max=0; /*记录换出页*/ int count=0; /*记录置换次数*/*前mSIZE个数直接放入*/ for(i=0;imSIZE;i+) memeryi=pagei; timei=i; for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; for(i=mSIZE;ipSIZE;i+) /*判断新页面号是否在物理块中*/ for(j=0,k=0;jmSIZE;j+) if(memeryj!=pagei) k+; if(k=mSIZE) /*如果不在物理块中*/ count+;/*计算换出页*/ max=time0time1?0:1;for(m=2;mmSIZE;m+)if(timemtimemax)max=m; memerymax=pagei; timemax=i; /*记录该页进入物理块的时间*/ for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; else for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; compute();print(count);4.4.2LRU最近最久未使用置换算法void LRU() int memery10=0; int flag10=0; /*记录页面的访问时间*/ int i,j,k,m; int max=0; /*记录换出页*/ int count=0; /*记录置换次数*/*前mSIZE个数直接放入*/ for(i=0;imSIZE;i+) memeryi=pagei; flagi=i; for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; for(i=mSIZE;ipSIZE;i+) /*判断新页面号是否在物理块中*/ for(j=0,k=0;jmSIZE;j+) if(memeryj!=pagei) k+; else flagj=i; /*刷新该页的访问时间*/ if(k=mSIZE) /*如果不在物理块中*/ count+;/*计算换出页*/ max=flag0flag1?0:1;for(m=2;mmSIZE;m+)if(flagmflagmax)max=m; memerymax=pagei; flagmax=i; /*记录该页的访问时间*/ for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; else for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; compute();print(count);4.4.3最佳置换算法void OPT() int memery10=0; int next10=0; /*记录下一次访问时间*/ int i,j,k,l,m; int max; /*记录换出页*/ int count=0; /*记录置换次数*/*前mSIZE个数直接放入*/ for(i=0;imSIZE;i+) memeryi=pagei; for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; for(i=mSIZE;ipSIZE;i+) /*判断新页面号是否在物理块中*/ for(j=0,k=0;jmSIZE;j+) if(memeryj!=pagei) k+; if(k=mSIZE) /*如果不在物理块中*/ count+;/*得到物理快中各页下一次访问时间*/for(m=0;mmSIZE;m+)for(l=i+1;l=next1?0:1;for(m=2;mnextmax)max=m;/*下一次访问时间都为pSIZE,则置换物理块中第一个*/memerymax=pagei;for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; else for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; compute();print(count);4.4.4源程序代码#include #include /*全局变量*/int mSIZE; /*物理块数*/int pSIZE; /*页面号引用串个数*/static int memery10=0; /*物理块中的页号*/static int page100=0; /*页面号引用串*/static int temp10010=0; /*辅助数组*/*置换算法函数*/void FIFO();void LRU();void OPT();/*辅助函数*/void print(unsigned int t);void designBy();void download();void mDelay(unsigned int Delay);/*主函数*/void main() int i,k,code;system(color 0A);designBy();printf(请按任意键进行初始化操作. n);printf(n);printf( );getch();system(cls);system(color 0B);printf(请输入物理块的个数(M=10)：);scanf(%d,&mSIZE);printf(请输入页面号引用串的个数(P=100)：);scanf(%d,&pSIZE);puts(请依次输入页面号引用串(连续输入，无需隔开)：);for(i=0;ipSIZE;i+) scanf(%1d,&pagei);download();system(cls);system(color 0E); do puts(输入的页面号引用串为：);for(k=0;k=(pSIZE-1)/20;k+)for(i=20*k;(ipSIZE)&(i);getch();system(cls); while (code!=4);getch();/*载入数据*/void download()int i;system(color 0D);printf(n);printf(正在载入数据，请稍候 !n);printf(n);printf(Loading.n);printf( O);for(i=0;i51;i+)printf(b);for(i=0;i);printf(nFinish.n载入成功，按任意键进入置换算法选择界面：);getch();/*设置延迟*/void mDelay(unsigned int Delay) unsigned int i; for(;Delay0;Delay-) for(i=0;i124;i+) printf( b); /*显示设计者信息*/ void designBy()printf(n);printf( 课程设计：页面置换算法 n);printf( 学号：10006404 n);printf( 姓名：印佳 n);printf(n);void print(unsigned int t)int i,j,k,l;int flag;for(k=0;k=(pSIZE-1)/20;k+)for(i=20*k;(ipSIZE)&(i20*(k+1);i+)if(i+1)%20=0)|(i+1)%20)&(i=pSIZE-1)printf(%dn,pagei);elseprintf(%d ,pagei);for(j=0;jmSIZE;j+)for(i=20*k;(imSIZE+20*k)&(i=j)printf( |%d|,tempij);elseprintf( | |);for(i=mSIZE+20*k;(ipSIZE)&(i20*(k+1);i+)for(flag=0,l=0;lmSIZE;l+)if(tempil=tempi-1l)flag+;if(flag=mSIZE)/*页面在物理块中*/printf( );elseprintf( |%d|,tempij);/*每行显示20个*/if(i%20=0)continue;printf(n);printf(-n);printf(缺页次数：%dtt,t+mSIZE);printf(缺页率：%d/%dn,t+mSIZE,pSIZE);printf(置换次数：%dtt,t);printf(访问命中率：%d%n,(pSIZE-(t+mSIZE)*100/pSIZE);printf(-n);/*计算过程延迟*/void compute()int i;printf(正在进行相关计算，请稍候);for(i=1;i20;i+)mDelay(15);if(i%4=0)printf(bbbbbb bbbbbb);elseprintf();for(i=0;i+30;printf(b);for(i=0;i+30;printf( );for(i=0;i+30;printf(b);/*先进先出页面置换算法*/void FIFO() int memery10=0; int time10=0; /*记录进入物理块的时间*/ int i,j,k,m; int max=0; /*记录换出页*/ int count=0; /*记录置换次数*/*前mSIZE个数直接放入*/ for(i=0;imSIZE;i+) memeryi=pagei; timei=i; for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; for(i=mSIZE;ipSIZE;i+) /*判断新页面号是否在物理块中*/ for(j=0,k=0;jmSIZE;j+) if(memeryj!=pagei) k+; if(k=mSIZE) /*如果不在物理块中*/ count+;/*计算换出页*/ max=time0time1?0:1;for(m=2;mmSIZE;m+)if(timemtimemax)max=m; memerymax=pagei; timemax=i; /*记录该页进入物理块的时间*/ for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; else for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; compute();print(count);/*最近最久未使用置换算法*/void LRU() int memery10=0; int flag10=0; /*记录页面的访问时间*/ int i,j,k,m; int max=0; /*记录换出页*/ int count=0; /*记录置换次数*/*前mSIZE个数直接放入*/ for(i=0;imSIZE;i+) memeryi=pagei; flagi=i; for(j=0;jmSIZE;j+)tempij=memeryj; for(i=mSIZE;ipSIZE;i+) /*判断新页面号是否在物理块中*/ for(j=0,k=0;jmSIZE;j+) if(memeryj!=pagei) k+; else flagj=i; /*刷新该页的访问时间*/ if(k=mSIZE) /*如果不在物理块中*/ count+;/*计算换出页*/ max=flag0flag1?0:1;for(m=2;mmSIZE;m