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操作系统——请求调页存储管理方式的各种模拟
1．设计目的
通过对页面、页表、地址转换和页面置换过程的模拟，加深对请求调页系统的原理和实现过程的理解。
2．设计内容
1）假设每个页面中可存放10条指令，分配给作业的内存块数为4。
2）用c语言模拟一个作业的执行过程，该作业共有320条指令，即它的地址空间为32页，目前它的所有页都还未调入内存。在模拟过程中，如果所访问的指令已在内存，则显示其物理地址，并转下一条指令。如果所访问的指令还未装入内存，则发生缺页，此时需记录缺页的次数，并将相应页调入内存。如果4个内存块均已装入该作业，则需进行页面置换，最后显示其物理地址，并转下一条指令。
在所有320指令执行完毕后，请计算并显示作业运行过程中发生的缺页率。
3）置换算法：
1、采用先进先出（FIFO）置换算法。
2、最近最久未使用（LRU）算法。
3、最佳置换（OPT）算法。
4、最少访问（LFU）算法。
提示:
（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：
① 50%的指令是顺序执行的；
② 25%的指令是均匀分布在前地址部分；
③ 25%的指令是均匀分布在后地址部分；
具体的实施方法是：
① 在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点m；
② 顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令；
③ 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′；
④ 顺序执行一条指令，其地址为m′+1的指令；
⑤ 在后地址[m′+2，319]中随机选取一条指令并执行；
⑥ 重复上述步骤①～⑤，直到执行320次指令。
（2）将指令序列变换为页地址流
① 设页面大小为1K；
② 用户内存容量为4页到32页；
③ 用户虚存容里为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，用户指令可组成32页。
（3）计算先进先出（FIFO）算法在不同内存容量下的命中率。
其中，命中率=1-页面失效次数/页地址流长度
1、采用先进先出（FIFO）置换算法
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<cmath>
#include<ctime>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
using namespace std;
struct node{
int i,j;//进入内存的页面数和页内地址
int p;//页面值
int k;//记录页面在内存中中的位置1~4
};
struct NN{
int flag;//表示是否存在在内存中
int id;//在内存中的位置1~4
};
int page[33][11];//保存页面和指令
int qk=0,sss=0;//用于记录缺页的次数
queue<node> q;
int hashmap[330];//一共用320条指令
double random();//生成[0,1]之间的均匀数字
int random(int m);//生成[0,m-1]之间的均匀随机数
void Init(int r);//定义初始化函数，初始值为r
void Init_Page();//初始化页面
void Show();//显示页面信息
int Address(int i,int j);//计算每个页面对应的地址
void Oper_FIFO(int n);//FIFO操作算法
void Print();
int main()
{
freopen("input.txt","r",stdin);
freopen("output13.txt","w",stdout);
Init(6);
printf("生成的随机数\n");
Show();
Init_Page();
printf("对应的调入页面\n");
Show();
Oper_FIFO(4);
Print();
return 0;
}
double random(){//生成[0,1]之间的均匀数字
return (double) rand() / RAND_MAX;
}
int random(int m){//生成[0,m-1]之间的均匀随机数
return (int) (random()*(m-1)+0.5);
}
int Address(int i,int j){//计算每个页面对应的地址
return i*10+j;
}
void Init(int r){//初始化函数，初始化指令
srand(time(NULL));
int ok=1,j=0;
for(int i=0;i<32;){
if(j==10){
i++; j=0;
if(i>=32) break;
}
if(ok==1){
r=random(320);
page[i][j++]=r;
page[i][j++]=r+1;
ok=2;//标记进入第二个随机数
continue;
}
if(ok==2){
int k=(random(r+1));//1-m+1随机取一个数
page[i][j++]=k;
page[i][j++]=k+1;
ok=3;//标记下次进入第二个随机数
continue;
}
if(ok==3){
int k=(r+2)+(random(320-r-2));//在m+2和320之间随机取一个数
page[i][j++]=k;
page[i][j++]=k+1;
ok=1;//下次进入标记进入第一个随机数
continue;
}
}
}
void Init_Page(){//初始化页面
for(int i=0;i<32;i++){
for(int j=0;j<10;j++){
page[i][j]=page[i][j]/10;
}
}
}
void Oper_FIFO(int n){//操作函数,先进先出
int s=0;//内存的首指
memset(hashmap,0,sizeof(hashmap));//用于记录当前页面是否在内存中，0：不在，1：在
for(int i=0;i<32;i++){//下面是有320条指令的作业的运行情况
for(int j=0;j<10;j++){
if(hashmap[page[i][j]]==1){//页面在内存中
printf("当前访问页面在内存中，当前页面的地址为%d\n",Address(i,j));
sss++;
}
else{//当前页面不在内存中，增加缺页次数，并调入内存
qk++;//增加缺页次数
node temp,temp1;
temp.i=i;
temp.j=j;
temp.p=page[i][j];
if(q.size()<n){//内存使用小于4，直接调入
printf("页面不存在，有空的内存空间，直接调入。\n");
temp.k=s%4+1;
hashmap[page[i][j]]=1;
q.push(temp);
//记录此页已在内存中
++s;
}
if(q.size()==n){//内存已占用4，按先进先出移除一个页面
temp1=q.front();//取出队首元素
q.pop();
printf("页面不存在，内存空间已满，按算法移除页面为：%d,其地址为：%d,它占用的内存块为：%d\n",temp1.p,Address(temp1.i,temp1.j),temp1.k);
temp.k=temp1.k;
hashmap[temp1.p]=0;//移除的页面变为未存在
q.push(temp);
hashmap[page[i][j]]=1;//进入的页面表示为存在
}
}
}
}
}
void Show(){
for(int i=0;i<32;i++){
for(int j=0;j<10;j++){
printf("%d ",page[i][j]);
}
printf("\n");
}
}
void Print(){
printf("缺页次数为：%d 匹配成功次数：%d\n",qk,sss);
printf("缺页率为：%.3lf%%\n",1.0*qk/320*100);
}
2、最近最久未使用（LRU）算法
/**
*操作系统作业
*题目14：LRU
*/
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<cmath>
#include<ctime>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
using namespace std;
struct node{
int i,j;//进入内存的页面数和页内地址
int p;//页面值
int k;//记录页面在内存中中的位置1~4
};
struct NN{
int flag;//表示是否存在在内存中
int id;//在内存中的位置1~4
};
int page[33][11];//保存页面和指令
int qk=0;//用于记录缺页的次数
node q[136];//定义内存块的个数
clock_t hashmap[330];//一共用320条指令
double random();//生成[0,1]之间的均匀数字
int random(int m);//生成[0,m-1]之间的均匀随机数
void Init(int r);//定义初始化函数，初始值为r
void Init_Page();//定义page初始化函数
void Show();//显示页面信息
int Address(int i,int j);//计算每个页面对应的地址
void Oper_LRU(int n);//LRU操作算法
void Print();
int cmp(node a,node b);//定义比较函数
int main()
{
freopen("input14.txt","r",stdin);
freopen("output14.txt","w",stdout);
int n;
Init(56);
Init_Page();
printf("调入页面：\n");
Show();s
scanf("%d",&n);
Oper_LRU(n);
Print();
return 0;
}
double random(){//生成[0,1]之间的均匀数字
return (double) rand() / RAND_MAX;
}
int random(int m){//生成[0,m-1]之间的均匀随机数
return (int) (random()*(m-1)+0.5);
}
int Address(int i,int j){//计算每个页面对应的地址
return i*10+j;
}
void Init(int r){//初始化函数，初始化指令
srand(time(NULL));
int ok=1,j=0;
for(int i=0;i<32;){
if(j==10){
i++; j=0;
if(i>=32) break;
}
if(ok==1){
r=random(320);
page[i][j++]=r;
page[i][j++]=r+1;
ok=2;//标记进入第二个随机数
continue;
}
if(ok==2){
int k=(random(r+1));//1-m+1随机取一个数
page[i][j++]=k;
page[i][j++]=k+1;
ok=3;//标记下次进入第二个随机数
continue;
}
if(ok==3){
int k=(r+2)+(random(320-r-2));//在m+2和320之间随机取一个数
page[i][j++]=k;
page[i][j++]=k+1;
ok=1;//下次进入标记进入第一个随机数
continue;
}
}
}
void Init_Page(){//初始化页面
for(int i=0;i<32;i++){
for(int j=0;j<10;j++){
page[i][j]=page[i][j]/10;
}
}
}
void Oper_LRU(int n){//操作函数,先进先出
int s=0;//内存的首指
memset(hashmap,0,sizeof(hashmap));//用于记录当前页面是否在内存中，0：不在，1-4：在某个内存
memset(q,0,sizeof(q));
for(int i=0;i<32;i++){//下面是有320条指令的作业的运行情况
for(int j=0;j<10;j++){
if(hashmap[page[i][j]]>=1){//页面在内存中
//printf("当前访问页面在内存中，占用内存的地址为：%d，当前页面的地址为%d\n",hashmap[page[i][j]].id+1,Address(i,j));
hashmap[page[i][j]]=clock();//记录最近一次访问时间
sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4
}
else{//当前页面不在内存中，增加缺页次数，并调入内存
qk++;//增加缺页次数
node temp,temp1;
temp.i=i;
temp.j=j;
temp.p=page[i][j];
if(s<n){//内存使用小于4，直接调入
//printf("页面不存在，有空的内存空间，直接调入。\n");
temp.k=s+1;
hashmap[page[i][j]]=clock();//记录进入时间
q[s++]=temp;
//记录此页已在内存中
}
else if(s>=n){//内存已占用4，按先进先出移除一个页面
temp1=q[0];//取出队首元素
//printf("页面不存在，内存空间已满，按算法移除页面为：%d,其地址为：%d,它占用的内存块为：%d\n",temp1.p,Address(temp1.i,temp1.j),temp1.k);
temp.k=temp1.k;
hashmap[page[temp1.i][temp1.j]]=0;//变为未访问
q[0]=temp;
hashmap[page[i][j]]=clock();//记录进入时间
}
sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4
}
for(int k=0;k<n;k++){
printf("%02d ",q[k].p);
}
printf("\n");
}
}
}
void Show(){
for(int i=0;i<32;i++){
for(int j=0;j<10;j++){
printf("%d ",page[i][j]);
}
printf("\n");
}
}
void Print(){
printf("缺页次数为：%d\n",qk);
printf("命中率为：%.3lf%%\n",1.0*(320-qk)/320*100);
}
int cmp(node a,node b){//实现比较函数
return hashmap[a.p]<hashmap[b.p];//最近最少使用的页面小的排在最前面
}
3、最佳置换（OPT）算法
/**
*操作系统作业
*题目15：OPT
*/
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<cmath>
#include<ctime>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
using namespace std;
struct node{
int i,j;//进入内存的页面数和页内地址
int p;//页面值
int k;//记录页面在内存中中的位置1~4
};
struct NN{
int flag;//表示是否存在在内存中
int id;//在内存中的位置1~4
};
int page[33][11];//保存页面和指令
int qk=0;//用于记录缺页的次数
node q[136];//定义内存块的个数
int hashmap[330];//一共用320条指令
queue<int> qp[325];//保存每一个页面在未来的位置到队列中
double random();//生成[0,1]之间的均匀数字
int random(int m);//生成[0,m-1]之间的均匀随机数
void Init(int r);//定义初始化函数，初始值为r
void Init_Page();//定义page初始化函数
void Show();//显示页面信息
int Address(int i,int j);//计算每个页面对应的地址
void Oper_OPT(int n);//LRU操作算法
void Print();
int cmp(node a,node b);//定义比较函数
int main()
{
/**
freopen("input.txt","r",stdin);
freopen("output15.txt","w",stdout);
**/
Init(56);
Init_Page();
printf("调入页面：\n");
Show();
Oper_OPT(4);//此处传入的参数不同，可用内存不同
Print();
return 0;
}
double random(){//生成[0,1]之间的均匀数字
return (double) rand() / RAND_MAX;
}
int random(int m){//生成[0,m-1]之间的均匀随机数
return (int) (random()*(m-1)+0.5);
}
int Address(int i,int j){//计算每个页面对应的地址
return i*10+j;
}
void Init(int r){//初始化函数，初始化指令
srand(time(NULL));
int ok=1,j=0;
for(int i=0;i<32;){
if(j==10){
i++; j=0;
if(i>=32) break;
}
if(ok==1){
r=random(320);
page[i][j++]=r;
page[i][j++]=r+1;
ok=2;//标记进入第二个随机数
continue;
}
if(ok==2){
int k=(random(r+1));//1-m+1随机取一个数
page[i][j++]=k;
page[i][j++]=k+1;
ok=3;//标记下次进入第二个随机数
continue;
}
if(ok==3){
int k=(r+2)+(random(320-r-2));//在m+2和320之间随机取一个数
page[i][j++]=k;
page[i][j++]=k+1;
ok=1;//下次进入标记进入第一个随机数
continue;
}
}
}
void Init_Page(){//初始化页面
for(int i=0;i<32;i++){
for(int j=0;j<10;j++){
page[i][j]=page[i][j]/10;
qp[page[i][j]].push(i*10+j);//保存每个页面出现的位置在队列中
}
}
for(int i=0;i<=320;i++){//将不足的页面赋值为321；标记此页面在以后不会出现,一定会在最前面被替换
while(qp[i].size()<=320){
qp[i].push(322);
}
}
}
void Oper_OPT(int n){//操作函数,先进先出
int s=0;//内存的首指
memset(hashmap,0,sizeof(hashmap));//用于记录当前页面是否在内存中，0：不在，1-4：在某个内存
memset(q,0,sizeof(q));
for(int i=0;i<32;i++){//下面是有320条指令的作业的运行情况
for(int j=0;j<10;j++){
if(hashmap[page[i][j]]==1){//页面在内存中
//printf("当前访问页面在内存中，占用内存的地址为：%d，当前页面的地址为%d\n",hashmap[page[i][j]].id+1,Address(i,j));
qp[page[i][j]].pop();//从队列中移除当前页面的当前位置
sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4
}
else{//当前页面不在内存中，增加缺页次数，并调入内存
qk++;//增加缺页次数
node temp,temp1;
temp.i=i;
temp.j=j;
temp.p=page[i][j];
qp[page[i][j]].pop();//从队列中移除当前页面的当前位置
if(s<n){//内存使用小于4，直接调入
//printf("页面不存在，有空的内存空间，直接调入。\n");
temp.k=s+1;
hashmap[page[i][j]]=1;//记录已在内存
q[s++]=temp;
//记录此页已在内存中
}
else if(s>=n){//内存已占用4，按先进先出移除一个页面
temp1=q[0];//取出队首元素
//printf("页面不存在，内存空间已满，按算法移除页面为：%d,其地址为：%d,它占用的内存块为：%d\n",temp1.p,Address(temp1.i,temp1.j),temp1.k);
temp.k=temp1.k;
hashmap[page[temp1.i][temp1.j]]=0;//变为未访问
q[0]=temp;
hashmap[page[i][j]]=1;//记录进入内存
}
sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4
}
for(int k=0;k<n;k++){
printf("%02d ",q[k].p);
}
printf("\n");
}
}
}
void Show(){
for(int i=0;i<32;i++){
for(int j=0;j<10;j++){
printf("%d ",page[i][j]);
}
printf("\n");
}
}
void Print(){
printf("缺页次数为：%d\n",qk);
printf("命中率为：%.3lf%%\n",1.0*(320-qk)/320*100);
}
int cmp(node a,node b){//实现比较函数
return qp[a.p].front()>qp[b.p].front();//未来一段时间出现的晚的在前面
}
4、最少访问（LFU）算法
/**
*操作刺痛作业
*题目16：LFU
*/
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<algorithm>
#include<queue>
#include<cmath>
#include<ctime>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
using namespace std;
struct node{
int i,j;//进入内存的页面数和页内地址
int p;//页面值
int k;//记录页面在内存中中的位置1~4
};
struct NN{
int flag;//表示是否存在在内存中
int id;//在内存中的位置1~4
};
int page[33][11];//保存页面和指令
int qk=0;//用于记录缺页的次数
node q[136];//定义内存块的个数
int hashmap[330];//一共用320条指令
double random();//生成[0,1]之间的均匀数字
int random(int m);//生成[0,m-1]之间的均匀随机数
void Init(int r);//定义初始化函数，初始值为r
void Init_Page();//定义page初始化函数
void Show();//显示页面信息
int Address(int i,int j);//计算每个页面对应的地址
void Oper_LFU(int n);//FIFO操作算法
void Print();
int cmp(node a,node b);//定义比较函数
int main()
{
freopen("input.txt","r",stdin);
freopen("output16.txt","w",stdout);
Init(56);
Init_Page();
printf("调入页面：\n");
Show();
Oper_LFU(4);
Print();
return 0;
}
double random(){//生成[0,1]之间的均匀数字
return (double) rand() / RAND_MAX;
}
int random(int m){//生成[0,m-1]之间的均匀随机数
return (int) (random()*(m-1)+0.5);
}
int Address(int i,int j){//计算每个页面对应的地址
return i*10+j;
}
void Init(int r){//初始化函数，初始化指令
srand(time(NULL));
int ok=1,j=0;
for(int i=0;i<32;){
if(j==10){
i++; j=0;
if(i>=32) break;
}
if(ok==1){
r=random(320);
page[i][j++]=r;
page[i][j++]=r+1;
ok=2;//标记进入第二个随机数
continue;
}
if(ok==2){
int k=(random(r+1));//1-m+1随机取一个数
page[i][j++]=k;
page[i][j++]=k+1;
ok=3;//标记下次进入第二个随机数
continue;
}
if(ok==3){
int k=(r+2)+(random(320-r-2));//在m+2和320之间随机取一个数
page[i][j++]=k;
page[i][j++]=k+1;
ok=1;//下次进入标记进入第一个随机数
continue;
}
}
}
void Init_Page(){//初始化页面
for(int i=0;i<32;i++){
for(int j=0;j<10;j++){
page[i][j]=page[i][j]/10;
}
}
}
void Oper_LFU(int n){//操作函数,先进先出
int s=0;//内存的首指
memset(hashmap,0,sizeof(hashmap));//用于记录当前页面是否在内存中，0：不在，1-4：在某个内存
memset(q,0,sizeof(q));
for(int i=0;i<32;i++){//下面是有320条指令的作业的运行情况
for(int j=0;j<10;j++){
if(hashmap[page[i][j]]>=1){//页面在内存中
//printf("当前访问页面在内存中，占用内存的地址为：%d，当前页面的地址为%d\n",hashmap[page[i][j]].id+1,Address(i,j));
hashmap[page[i][j]]++;//增加访问次数
sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4
}
else{//当前页面不在内存中，增加缺页次数，并调入内存
qk++;//增加缺页次数
node temp,temp1;
temp.i=i;
temp.j=j;
temp.p=page[i][j];
if(s<n){//内存使用小于4，直接调入
//printf("页面不存在，有空的内存空间，直接调入。\n");
temp.k=s+1;
hashmap[page[i][j]]=1;
q[s++]=temp;
//记录此页已在内存中
}
else if(s>=n){//内存已占用4，按先进先出移除一个页面
temp1=q[0];//取出队首元素
//printf("页面不存在，内存空间已满，按算法移除页面为：%d,其地址为：%d,它占用的内存块为：%d\n",temp1.p,Address(temp1.i,temp1.j),temp1.k);
temp.k=temp1.k;
hashmap[page[temp1.i][temp1.j]]=0;//变为未访问
q[0]=temp;
hashmap[page[i][j]]=1;
}
sort(q,q+s,cmp);//每次更改重新排序1~4
}
for(int k=0;k<n;k++){
printf("%02d ",q[k].p);
}
printf("\n");
}
}
}
void Show(){
for(int i=0;i<32;i++){
for(int j=0;j<10;j++){
printf("%d ",page[i][j]);
}
printf("\n");
}
}
void Print(){
printf("缺页次数为：%d\n",qk);
printf("命中率为：%.3lf%%\n",1.0*(320-qk)/320*100);
}
int cmp(node a,node b){//实现比较函数
return hashmap[a.p]<hashmap[b.p];//访问次数小的排在最前面
}
操作系统——请求调页存储管理方式的各种模拟
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