操作系统课程设计页式存储.docx

操作系统课程设计报告
——页式存储

姓名：陈锡鹏
班级：J计算机1302
学号：4131110044
指导老师：刘金平
日期：2016/1/12

一、 目的和要求

1. 理解页式存储的基本概念
2. 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，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。
3. 3.根据模拟的页式管理设计，掌握在页式存储管理中最基本的两种种页面调度算法FIFO、LRU。但在两种种算法中均要求在调度程序中产生的页面序列是随机产生的，而不是人为的输入，在执行时只需改变页面的大小及内存容量就可以得到不同的页面序列，另外还需要说明随机的性能和其性能可能对算法的影响，并对随机性要有一定的参数控制能力。此外，计算并输出FIFO、LRU算法在不同内存容量下的命中率。
具体参数：访问串的长度，访问串，页面个数。
分别用2种不同的方法实现页面的置换，并输出相关信息。

二、 基本原理

1.页式存储基本原理

将各进程的虚拟空间划分成若干个长度相等的页(page)，页式管理把内存空间按页的大小划分成片或者页面（page frame），然后把页式虚拟地址与内存地址建立一一对应页表，并用相应的硬件地址变换机构，来解决离散地址变换问题。页式管理采用请求调页或预调页技术实现了内外存储器的统一管理。

页的划分：

2.静态/虚拟分页管理
页式管理是一种内存空间存储管理的技术，页式管理分为静态分页管理和虚拟分页管理。

① 静态页式存储管理：
用户在作业开始执行之前，讲改作业的程序和数据全部装入到主存中，然后，操作系统统通过页表和硬件地址变换实现逻辑地址到屋里地址的转换，从而执行用户程序。静态分页管理的第一步是为要求内存的作业或进程分配足够的页面。系统通过存储页面表、请求表以及页表来完成内存的分配工作。
页表：内存中的一块固定存储区。页式管理时每个进程至少有一个页表。
请求表：用来确定作业或进程的虚拟空间的各页在内存中的实际对应位置；
存储页面表：整个系统有一个存储页面表，其描述了物理存储空间的分配使用状况。

② 虚拟页式存储管理
当系统在运行时，经常会出现主存容量不能满足用户程序的要求，一种解决方法是：从逻辑上扩充主存的容量。这便是虚拟存储技术。

分页式虚拟存储管理工作流程：

页面置换：预调页策略 请求调页策略
分配策略：固定分配策略 可变分配策略
页面置换算法：1、优化算法OPT（理论化算法不是很实际的算法）
*2、先进先出算法FIFO
*3、最近最少用置换算法LRU
4、最近未使用置换算法NRU
5、最少使用置换算法LFU
三、设计思路及过程
1、概要设计
1.1 问题概述
根据三种不同的置换算法，依据其不同的算法方式，分别计算该算法在不同情况下的命中率，并显示各页面的变化情况。
1.2 内容分析
对于该课程设计中模拟的页式存储管理的页面置换过程，只要掌握其中最基本的两种算法，包括FIFO、LRU。 但最重要的一点就是要求产生随机序列，所以在编写程序时要采用控制产生随机值的种子数函数，如此能产生随机的访问序列。另外，不能在执行完一次操作后就只能进行另外一种算法的操作，必须还要有更加详细的操作，比如：是否要重新得到新序列？还是要不改变访问序列而只改变访问串的内存容量？抑或是不操作就退出该算法以进行下一种调度算法？因此，在执行完每次操作后都必须要有提示语，看是否进入更细节的操作，还是退出本次算法的操作以进入下一种算法的调度。
2、过程设计
2.1 算法原理分析
要学成功实现算法，首先要知道各个方法是怎么做的，即原理是怎样的，下面是两种算法的原理。
FIFO算法是先进先出，当当前内存中没有正要访问的页面时，置换出最先进来的页面。
LRU算法是最近最久未使用，当当前内存中没有正要访问的页面时，置换出在当前页面中最近最久没有使用的页面。
2.2程序流程图

四、核心代码

void fifo() //先进先出
{
int i,thisn=0;
while(1)
{
count=0;
flag1=flag2=0;
for(i=pos1;i<length;i++)
{
if(!search(order[i]))
{
count++;
result1[i]='*';
if(a[num_page-1]!=-1) //表示当前页面已满要淘汰一个
{
a[thisn]= order[i];
thisn++;
if(thisn>=num_page)
thisn=0;
}
else
{
for(int j=0;j<num_page;j++)
{
if(a[j]==-1)
{
a[j]=order[i];
break;
}
}
}
}
else result1[i]=' ';
for(int j=0;j<num_page;j++)
{
result[j][i]=a[j];
}
}
again(); //再操作
if(flag1==0&&flag2==0)
break;
}
}

void lru() //最久最近没使用
{
int i,pos[10];
while(1)
{
count=0;
flag1=flag2=0;
memset(pos,-1,sizeof(pos));
for(i=pos1;i<length;i++)
{
if(!search(order[i]))
{
count++;
result1[i]='*';
if(a[num_page-1]!=-1) //表示当前页面已满要淘汰一个
{
int j,k;
for( j=0;j<i;j++) //查找当前页中的值对应的最近位置
{
for( k=0;k<num_page;k++)
{
if(order[j]==a[k])
{
pos[k]=j;
}
}
}
int min=pos[0],min_pos=0;
for( k=1;k<num_page;k++)//找出位置最远的那个
{
if(min>pos[k])
{
min=pos[k];
min_pos=k;
}
}
a[min_pos]=order[i];
}
else //还有空页
{
for(int j=0;j<num_page;j++)
{
if(a[j]==-1)
{
a[j]=order[i];
break;
}
}
}
}
else result1[i]=' ';
for(int j=0;j<num_page;j++)
{
result[j][i]=a[j];
}
}
again(); //再操作
if(flag1==0&&flag2==0)
break;
}
}

五、运行截图

六、课设总结
本次课程设计目的是通过请求页式管理中页面置换算法模拟设计，了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。要求设计随机页面产生程序，并说明随机的性能和其性能可能对算法的影响，对随机性要有一定的参数控制能力；计算并输出FIFO及LRU算法在不同内存容量下的命中率。
相对来说，这次操作系统的课程设计容易许多，只是在之前实验基础上，要附加设计随机页面产生程序，对随机性要有一定的参数控制能力。对于随机页面产生程序，我们之前没做过，在网上查阅资料，使用了库函数srand（）和rand（），实现了简单的随机页面产生程序，功能基本完成。我们知识所限，没有使用漂亮可视化界面编程实现功能，用简单的C语言编程实现的做了这么多次课程设计了，大致的过程都熟悉了，每次的动手实践，调动了我们主动学习的积极性, 并引导我们根据实际编程要求, 训练自己实际分析问题的能力及编程能力, 并养成良好的编程习惯。 通过详细的实例, 循序渐进地启发我们完成设计课程设计将要求。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。知识的获得是无止境的，只要你想学，只要你行动，就一定会有所收获的。回首这两个星期的课程设计，尽管很是头痛，很多都不会，但经过努力，我们还是学了不少知识的。这期间，老师给了我们许多帮助，非常感谢！

七、参考文献
谭浩强, 张基温. 《C语言程序设计教程》. 高等教育出版社,1991
《操作系统原理》
百度文库

操作界面：

八、附录
源程序代码：
#include<iostream>
#include<stdlib.h>
using namespace std;
int length,num_page,count,seed;
int result[20][30],order[30],a[10];
int pos1,flag1,flag2,flag3;
char result1[30];
void init()
{
memset(a,-1,sizeof(a));
int i;
cout<<"输入访问串的长度:";
cin>>length;
cout<<"输入种子数控制产生的随机值：";
cin>>seed;
srand(seed);
cout<<"产生的随机访问串:";
for(i=0;i<length;i++)
{
// cin>>order[i];
order[i]=rand()%10;
cout<<order[i]<<" ";
}
cout<<endl;
cout<<"输入页面的个数：";
cin>>num_page;
}

void print()
{
int i,j;
cout<<"(*表示缺页)"<<endl;
cout<<endl;
for( j=0;j<length;j++)
printf("%2d ",order[j]);
cout<<endl;
for( i=0;i<num_page;i++)
{
for( j=0;j<length;j++)
{
if(result[i][j]==-1)
{
printf(" ");
}
else
printf("%2d ",result[i][j]);
}
cout<<endl;
}
for( j=0;j<length;j++)
{
printf("%2c ",result1[j]);
}
cout<<endl;
cout<<"缺页率："<<count<<"/"<<length;
printf("=%.1lf",(count*1.0)/(length*1.0)*100);
cout<<"%"<<endl;
}
bool search(int n) //查找当期内存是否已存在
{
int i;
for(i=0;i<num_page;i++)
{
if(a[i]==n)
return true;
}
return false;
}

void again() //用于再输入
{
print();
int numpage,m;
printf("************************************** \n");
printf(" 1.重新输入新序列.\n");
printf(" 2.不改变访问序列只改变页面数.\n");
printf(" 0.不操作退出.\n");
printf("************************************** \n");
printf(" 选择所要操作:");
scanf("%d",&m);
if(m==1)
{
flag1=1; //重新输入
init();
}
else if(m==2)
{
flag2=1;
cout<<"输入新页面数：";
cin>>numpage;
num_page=numpage;memset(a,-1,sizeof(a));
}
else return ;
}

void fifo() //先进先出
{
int i,thisn=0;
while(1)
{
count=0;
flag1=flag2=0;
for(i=pos1;i<length;i++)
{
if(!search(order[i]))
{
count++;
result1[i]='*';
if(a[num_page-1]!=-1) //表示当前页面已满要淘汰一个
{
a[thisn]= order[i];
thisn++;
if(thisn>=num_page)
thisn=0;
}
else
{
for(int j=0;j<num_page;j++)
{
if(a[j]==-1)
{
a[j]=order[i];
break;
}
}
}
}
else result1[i]=' ';
for(int j=0;j<num_page;j++)
{
result[j][i]=a[j];
}
}
again(); //再操作
if(flag1==0&&flag2==0)
break;
}
}

void lru() //最久最近没使用
{
int i,pos[10];
while(1)
{
count=0;
flag1=flag2=0;
memset(pos,-1,sizeof(pos));
for(i=pos1;i<length;i++)
{
if(!search(order[i]))
{
count++;
result1[i]='*';
if(a[num_page-1]!=-1) //表示当前页面已满要淘汰一个
{
int j,k;
for( j=0;j<i;j++) //查找当前页中的值对应的最近位置
{
for( k=0;k<num_page;k++)
{
if(order[j]==a[k])
{
pos[k]=j;
}
}
}
int min=pos[0],min_pos=0;
for( k=1;k<num_page;k++)//找出位置最远的那个
{
if(min>pos[k])
{
min=pos[k];
min_pos=k;
}
}
a[min_pos]=order[i];
}
else //还有空页
{
for(int j=0;j<num_page;j++)
{
if(a[j]==-1)
{
a[j]=order[i];
break;
}
}
}
}
else result1[i]=' ';
for(int j=0;j<num_page;j++)
{
result[j][i]=a[j];
}
}
again(); //再操作
if(flag1==0&&flag2==0)
break;
}
}

void mune()
{
int m;
printf("略去优化算法，最近未用置换算法，最少使用置换算法 \n");
printf("\n**************************************\n\n");
printf(" 动态分配分区方法演示\n");
printf("\n************************************** \n\n");
printf(" 1.先进先出算法.\n\n");
printf(" 2.最久最近未使用页面置换算法.\n\n");
printf(" 0.退出程序.\n");
printf("\n************************************** \n");
printf("\n 选择所要操作:");
scanf("%d",&m);
switch(m)
{
case 1:
init();
fifo( );
mune();
break;
case 2:
init();
lru( );
mune();
break;
case 0:
break;
default:
printf("选择错误,重新选择.");
mune();
}
}
void main() //主函数
{
mune();
}