计算机操作系统：实验3 【虚拟存储器管理】

一、前言

本期操作系统实验我们将了解学习如何使用C/C++实现虚拟存储器管理，并掌握FIFO和LRU算法进行页面置换的方法。

二、实验目的

请求页式虚存管理是常用的虚拟存储管理方案之一。通过请求页式虚存管理中对页面置换算法的模拟，有助于理解虚拟存储技术的特点，并加深对请求页式虚存管理的页面调度算法的理解。

三、实验环境

Turbo C 2.0/3.0或VC++6.0

我所使用的编译器是：Embarcadero Dev-C++

四、实验内容

本实验要求使用C语言编程模拟一个拥有若干个虚页的进程在给定的若干个实页中运行、并在缺页中断发生时分别使用FIFO和LRU算法进行页面置换的情形。其中虚页的个数可以事先给定（例如10个），对这些虚页访问的页地址流（其长度可以事先给定，例如20次虚页访问）可以由程序随机产生，也可以事先保存在文件中。要求程序运行时屏幕能显示出置换过程中的状态信息并输出访问结束时的页面命中率。程序应允许通过为该进程分配不同的实页数，来比较两种置换算法的稳定性。

五、实验说明

1、设计中虚页和实页的表示

本设计利用C语言的结构体来描述虚页和实页的结构。

在虚页结构中，pn代表虚页号，因为共10个虚页，所以pn的取值范围是0—9。pfn代表实页号，当一虚页未装入实页时，此项值为-1；当该虚页已装入某一实页时，此项值为所装入的实页的实页号pfn。time项在FIFO算法中不使用，在LRU中用来存放对该虚页的最近访问时间。

在实页结构中中，pn代表虚页号，表示pn所代表的虚页目前正放在此实页中。pfn代表实页号，取值范围（0—n-1）由动态指派的实页数n所决定。next是一个指向实页结构体的指针，用于多个实页以链表形式组织起来，关于实页链表的组织详见下面第4点。

2、关于缺页次数的统计

为计算命中率，需要统计在20次的虚页访问中命中的次数。为此，程序应设置一个计数器count，来统计虚页命中发生的次数。每当所访问的虚页的pfn项值不为-1，表示此虚页已被装入某实页内，此虚页被命中，count加1。最终命中率=count/20*100%。

3、LRU算法中“最近最久未用”页面的确定

为了能找到“最近最久未用”的虚页面，程序中可引入一个时间计数器countime，每当要访问一个虚页面时，countime的值加1，然后将所要访问的虚页的time项值设置为增值后的当前countime值，表示该虚页的最后一次被访问时间。当LRU算法需要置换时，从所有已分配实页的虚页中找出time值为最小的虚页就是“最近最久未用”的虚页面，应该将它置换出去。

4、算法中实页的组织

因为能分配的实页数n是在程序运行时由用户动态指派的，所以应使用链表组织动态产生的多个实页。为了调度算法实现的方便，可以考虑引入free和busy两个链表：free链表用于组织未分配出去的实页，首指针为free_head，初始时n个实页都处于free链表中；busy链表用于组织已分配出去的实页，首指针为busy_head，尾指针为busy_tail，初始值都为null。当所要访问的一个虚页不在实页中时，将产生缺页中断。此时若free链表不为空，就取下链表首指针所指的实页，并分配给该虚页。若free链表为空，则说明n个实页已全部分配出去，此时应进行页面置换：对于FIFO算法要将busy_head 所指的实页从busy链表中取下，分配给该虚页，然后再将该实页插入到busy链表尾部；对于LRU算法则要从所有已分配实页的虚页中找出time值为最小的虚页，将该虚页从装载它的那个实页中置换出去，并在该实页中装入当前正要访问的虚页。

六、实验步骤

1、理解好相关实验说明

• FIFO

  先进先出 (FIFO) 页面替换算法是最简单的页面替换算法。在这个算法中，操作系统在队列中跟踪内存中的所有页面，最旧的页面在队列的前面。当需要替换页面时，选择队列前面的页面进行删除。

  设容量为内存可以容纳的页数。令 set 为内存中的当前页集。

  1.开始遍历页面
   i) 如果设置的页面少于容量
     a) 将页面一页一页地插入到集合中，直到集合的大小达到容量或全部 处理页面请求
     b) 同时维护页面中的 排队执行先进先出
     c) 增量页面错误
   ii) 否则
     如果当前页面存在于集合中，则什么都不做
     否则
       a) 从队列中删除第一页因为它是第一个被输入的记忆
       b) 将队列中的第一页替换为字符串中的当前页
       c) 将当前页面存储在队列中
       d) 增加页面错误
  
  2.返回页面错误
  

• LRU

  最近最少使用算法是一种贪心算法，其中要替换的页面是最近最少使用的。这个想法是基于引用的位置，最近最少使用的页面不太可能。

  设容量为页数 内存可以保存。让设置为当前内存中的页面集。

  1- 开始遍历页面.
   i) 如果设置的页面少于容量
     a) 将页面一页一页地插入到集合中，直到集合的大小达到容量或全部 处理页面请求
     b) 同时维护最近发生的地图中每个页面的索引称为索引
     c) 增量页面错误
   ii) 否则 
     如果当前页面存在于集合中，则什么都不做
     否则 
       a) 找到集合中最少的页面 最近用过。我们使用索引数组找到它。我们基本上需要将页面替换为最小指数。
       b) 用当前页面替换找到的页面
       c) 增加页面错误
       d) 更新当前页面的索引
  
  2. 返回页面错误
  

2、根据实验说明，画出相应的程序流程图

• FIFO

• LRU

  

3、按照程序流程图，用C语言编程并实现

• FIFO

  #include<bits/stdc++.h>
  using namespace std;
  
  // 使用 FIFO 查找页面错误的函数
  int pageFaults(int pages[], int n, int capacity)
  {
      /*
      表示一组当前页面。我们用一个 unordered_set 以便我们快速检查页面是否存在于集合中
      */
  	unordered_set<int> s;
  
  	// 以FIFO方式存储页面
  	queue<int> indexes;
  
  	// 从初始页面开始
  	int page_faults = 0;
  	for (int i=0; i<n; i++)
  	{
  		// 检查集合是否可以容纳更多页面
  		if (s.size() < capacity)
  		{
              /*
              如果不存在则将其插入集合 already表示页面错误
              */
  			if (s.find(pages[i])==s.end())
  			{
  				// 将当前页面插入集合
  				s.insert(pages[i]);
  
  				// 增量页面错误
  				page_faults++;
  
  				// 将当前页面推入队列
  				indexes.push(pages[i]);
  			}
  		}
  
  		/*
  		如果集合已满则需要执行 FIFO 即从中删除队列的第一页 设置和排队并插入当前页面
  		*/
  		else
  		{
  			/*
  			检查当前页面是否已经存在于集合中
  			*/
  			if (s.find(pages[i]) == s.end())
  			{
                  /*
                  将第一页存储在队列用于查找和从集合中删除页面
                  */
  				int val = indexes.front();
  				
  				// 从队列中弹出第一页
  				indexes.pop();
  
  				// 从集合中删除索引页
  				s.erase(val);
  
  				// 在集合中插入当前页面
  				s.insert(pages[i]);
  
  				// 将当前页面推入队列
  				indexes.push(pages[i]);
  
  				// 增量页面错误
  				page_faults++;
  			}
  		}
  	}
  
  	return page_faults;
  }
  
  
  int main()
  {
  	int pages[] = {7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4,
  				2, 3, 0, 3, 2};
  	int n = sizeof(pages)/sizeof(pages[0]);
  	int capacity = 4;
  	cout << pageFaults(pages, n, capacity);
  	return 0;
  }
  

  运行的结果是：

  7
  

• LRU

  #include<bits/stdc++.h>
  using namespace std;
  
  // 使用索引查找页面错误的函数
  int pageFaults(int pages[], int n, int capacity)
  {
  	// 表示一组当前页面。我们用个unordered_set 以便我们快速检查页面是否存在于集合中
  	unordered_set<int> s;
  
  	// 存储最近最少使用的索引页面数
  	unordered_map<int, int> indexes;
  
  	// 从初始页面开始
  	int page_faults = 0;
  	for (int i=0; i<n; i++)
  	{
  		// 检查集合是否可以容纳更多页面
  		if (s.size() < capacity)
  		{
  			// 如果不存在则将其插入集合already表示页面错误
  			if (s.find(pages[i])==s.end())
  			{
  				s.insert(pages[i]);
  
  				// 增量页面错误
  				page_faults++;
  			}
  
  			// 存储最近使用的索引每页
  			indexes[pages[i]] = i;
  		}
  
  		// 如果集合已满则需要执行lru即删除最近最少使用的页面并插入当前页
  		else
  		{
  			// 检查当前页面是否已经存在于集合中
  			if (s.find(pages[i]) == s.end())
  			{
  				// 查找最近最少使用的页面存在于集合中
  				int lru = INT_MAX, val;
  				for (auto it=s.begin(); it!=s.end(); it++)
  				{
  					if (indexes[*it] < lru)
  					{
  						lru = indexes[*it];
  						val = *it;
  					}
  				}
  
  				// 删除索引页
  				s.erase(val);
  
  				// 插入当前页
  				s.insert(pages[i]);
  
  				// 增量页面错误
  				page_faults++;
  			}
  
  			// 更新当前页面索引
  			indexes[pages[i]] = i;
  		}
  	}
  
  	return page_faults;
  }
  
  
  int main()
  {
  	int pages[] = {7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2};
  	int n = sizeof(pages)/sizeof(pages[0]);
  	int capacity = 4;
  	cout << pageFaults(pages, n, capacity);
  	return 0;
  }
  

  运行的结果是：

  6