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实验报告三 虚拟内存页面置换算法
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一、 实验目的
通过这次实验，加深对虚拟内存页面置换概念的理解，进一步掌握先进先出FIFO，最佳置换OPI和最近最久未使用LRU页面置换算法的实现方法。
二、实验的开发环境
1. 硬件设备：PC机一台
2. 软件环境：安装Windows操作系统或者Linux操作系统，并安装相关的程序开发环境，如C \C++\Java 等编程语言环境。
三、实验设计思路
问题描述：
设计程序模拟先进先出FIFO，最佳置换OPI和最近最久未使用LRU页面置换算法的工作过程。假设内存中分配给每个进程的最小物理块数为m，在进程运行过程中要访问的页面个数为n，页面访问序列为P1, … ,Pn，分别利用不同的页面置换算法调度进程的页面访问序列，给出页面访问序列的置换过程，计算每种算法缺页次数和缺页率。
四、实验内容及结果
程序要求如下：
1）利用先进先出FIFO，最佳置换OPI和最近最久未使用LRU三种页面置换算法模拟页面访问过程。
2）模拟三种算法的页面置换过程，给出每个页面访问时的内存分配情况。
3）输入：最小物理块数m，页面个数n，页面访问序列P1, … ,Pn，算法选择1-FIFO，2-OPI，3-LRU。
4）输出：每种算法的缺页次数和缺页率。
程序源码如下：
#include "iostream.h"
const int DataMax=100;
const int BlockNum = 10;
int DataShow[BlockNum][DataMax]; // 用于存储要显示的数组
bool DataShowEnable[BlockNum][DataMax]; // 用于存储数组中的数据是否需要显示
//int Data[DataMax]={4,3,2,1,4,3,5,4,3,2,1,5,6,2,3,7,1,2,6,1}; // 测试数据
//int N = 20; // 输入页面个数
int Data[DataMax]; // 保存数据
int Block[BlockNum]; // 物理块
int count[BlockNum]; // 计数器
int N ; // 页面个数
int M;//最小物理块数
int ChangeTimes;
void DataInput(); // 输入数据的函数
void DataOutput();
void FIFO(); // FIFO 函数
void Optimal(); // Optimal函数
void LRU(); // LRU函数

///*
int main(int argc, char* argv[])
{
DataInput();// DataInput();
// FIFO();
// Optimal();
// LRU();
// return 0;
int menu;
while(true)
{
cout<<endl;
cout<<"* 菜单选择 *"<<endl;
cout<<"*******************************************************"<<endl;
cout<<"* 1-FIFO *"<<endl;
cout<<"* 2-Optimal *"<<endl;
cout<<"* 3-LRU *"<<endl;
cout<<"* 0-EXIT *"<<endl;
cout<<"*******************************************************"<<endl;
cin>>menu;

switch(menu)
{
case 1: FIFO();break;
case 2: Optimal();break;
case 3: LRU();break;
default: break;
}
if(menu!=1&&menu!=2&&menu!=3) break;
}
}
//*/
void DataInput()
{
cout<<"请输入最小物理块数：";
cin>>M;
while(M > BlockNum) // 大于数据个数
{
cout<<"物理块数超过预定值，请重新输入：";
cin>>M;
}
cout<<"请输入页面的个数：";
cin>>N;
while(N > DataMax) // 大于数据个数
{
cout<<"页面个数超过预定值，请重新输入：";
cin>>N;
}
cout<<"请输入页面访问序列："<<endl;
for(int i=0;i<N;i++)
cin>>Data[i];
}

void DataOutput()
{
int i,j;
for(i=0;i<N;i++) // 对所有数据操作
{
cout<<Data[i]<<" ";
}
cout<<endl;
for(j=0;j<M;j++)
{
cout<<" ";
for(i=0;i<N;i++) // 对所有数据操作
{
if( DataShowEnable[j][i] )
cout<<DataShow[j][i]<<" ";
else
cout<<" ";
}
cout<<endl;
}
cout<<"缺页次数: "<<ChangeTimes<<endl;
cout<<"缺页率: "<<ChangeTimes*100/N<<"%"<<endl;
}
void FIFO()
{
int i,j;
bool find;
int point;
int temp; // 临时变量
ChangeTimes = 0;
for(j=0;j<M;j++)
for(i=0;i<N;i++)
DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false，表示没有要显示的数据

for(i=0;i<M;i++)
{
count[i] = 0; // 大于等于BlockNum，表示块中没有数据，或需被替换掉
// 所以经这样初始化（3 2 1），每次替换>=3的块，替换后计数值置1，
// 同时其它的块计数值加1 ，成了（1 3 2 ），见下面先进先出程序段
}
for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作
{
// 增加count
for(j=0;j<M;j++)
count[j]++;
find = false; // 表示块中有没有该数据
for(j=0;j<M;j++)
{
if( Block[j] == Data[i] )
{
find = true;
}
}

if( find ) continue; // 块中有该数据，判断下一个数据
// 块中没有该数据
ChangeTimes++; // 缺页次数++

if( (i+1) > M ) // 因为i是从0开始记，而M指的是个数，从1开始，所以i+1
{
//获得要替换的块指针
temp = 0;
for(j=0;j<M;j++)
{
if( temp < count[j] )
{
temp = count[j];
point = j; // 获得离的最远的指针
}
}
}
else point = i;
// 替换
Block[point] = Data[i];

count[point] = 0; // 更新计数值

// 保存要显示的数据
for(j=0;j<M;j++)
{
DataShow[j][i] = Block[j];
DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据
}
}
// 输出信息
cout<< endl;
cout<<"FIFO => "<< endl;
DataOutput();
}
void Optimal()
{
int i,j,k;
bool find;
int point;
int temp; // 临时变量，比较离的最远的时候用
ChangeTimes = 0;
for(j=0;j<M;j++)
for(i=0;i<N;i++)
DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false，表示没有要显示的数据
// for(i=0;i<M;i++)
// {
// count[i] = 0 ; //
// }
for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作
{
find = false; // 表示块中有没有该数据
for(j=0;j<M;j++)

{
if( Block[j] == Data[i] )
find = true;
}
if( find ) continue; // 块中有该数据，判断下一个数据
// 块中没有该数据，最优算法
ChangeTimes++; // 缺页次数++
for(j=0;j<M;j++)
{
// 找到下一个值的位置
find = false;
for( k =i;k<N;k++)
{
if( Block[j] == Data[k] )
{
find = true;
count[j] = k;
break;
}
}
if( !find ) count[j] = N;
}
if( (i+1) > M ) // 因为i是从0开始记，而BlockNum指的是个数，从1开始，所以i+1
{
//获得要替换的块指针
temp = 0;
for(j=0;j<M;j++)
{
if( temp < count[j] )
{
temp = count[j];
point = j; // 获得离的最远的指针
}
}
}
else point = i;
// 替换
Block[point] = Data[i];

// 保存要显示的数据
for(j=0;j<M;j++)
{
DataShow[j][i] = Block[j];
DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据
}

}
// 输出信息
cout<< endl;
cout<<"Optimal => "<< endl;
DataOutput();
}
void LRU()

{
int i,j;
bool find;
int point;
int temp; // 临时变量
ChangeTimes = 0;
for(j=0;j<M;j++)
for(i=0;i<N;i++)
DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false，表示没有要显示的数据
for(i=0;i<M;i++)
{
count[i] = 0 ;
}
for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作
{
// 增加count
for(j=0;j<M;j++)
count[j]++;
find = false; // 表示块中有没有该数据
for(j=0;j<M;j++)
{
if( Block[j] == Data[i] )
{
count[j] = 0;
find = true;
}
}
if( find ) continue; // 块中有该数据，判断下一个数据
// 块中没有该数据
ChangeTimes++; // 缺页次数++
if( (i+1) > M ) // 因为i是从0开始记，而BlockNum指的是个数，从1开始，所以i+1
{
//获得要替换的块指针
temp = 0;
for(j=0;j<M;j++)
{
if( temp < count[j] )
{
temp = count[j];
point = j; // 获得离的最远的指针
}
}
}
else point = i;
// 替换
Block[point] = Data[i];
count[point] = 0;

// 保存要显示的数据
for(j=0;j<M;j++)
{
DataShow[j][i] = Block[j];
DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据

}

}
// 输出信息
cout<< endl;
cout<<"LRU => "<< endl;
DataOutput();
}

五、实验效果

六、实验总结
通过这次实验我对先进先出FIFO，最佳置换OPI和最近最久未使用LRU页面置换算法的实现方法。有了更多的了解。在编程过程中我也通过查阅书籍和复习以前的课本，对C++编程语言进行了复习。
通过这个实验我也体会到思路的重要性，一个程序如果一开始计划的好，结构设计完善，才可能顺利进行。这次实验模拟出了优先权调度算法，使我更加了解这一算法的调度过程。以前仅限于知道这一知识点，现在居然能用程序来实现这个过程。我相信这将是一个很好的学习方法。
我希望以后能够有更多的机会来锻炼自己，通过具体实践来提高自己编程的能力，来进一步掌握和理解在课堂上学到的东西，做到学以致用！总之，这次综合实验是我收益匪浅，是我明白了实际编程和理论知识间的差异，明白了在学习课本的基础上我们还需要很大的实践扩充才能真正的理解并学好这门课程。

（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）