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操作系统课程设计页面置换算法C语言

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2020年4月19日
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页面置换算法
一．题目要求：
经过实现页面置换算法的FIFO和LRU两种算法，理解进程运行时系统是怎样选择换出页面的，对于两种不同的算法各自的优缺点是哪些。
要求设计主界面以灵活选择某算法，且以下算法都要实现
1) 最佳置换算法(OPT)：将以后永不使用的或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面换出。
2) 先进先出算法(FIFO)：淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。
3) 最近最久未使用算法(LRU)：淘汰最近最久未被使用的页面。
4) 最不经常使用算法(LFU)
二．实验目的：
1、用C语言编写OPT、FIFO、LRU，LFU四种置换算法。
2、熟悉内存分页管理策略。
3、了解页面置换的算法。
4、掌握一般常见的调度算法。
5、根据方案使算法得以模拟实现。
6、锻炼知识的运用能力和实践能力。
三、设计要求
1、编写算法，实现页面置换算法FIFO、LRU；
2、针对内存地址引用串，运行页面置换算法进行页面置换；
3、算法所需的各种参数由输入产生（手工输入或者随机数产生）；
4、输出内存驻留的页面集合，页错误次数以及页错误率；
四．相关知识：
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。
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．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。
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。
5．页面置换算法：
常见的页面置换算法有OPT、FIFO、LRU、Clock、LFU、PBA等。
五、设计说明
1、采用数组页面的页号
2、FIFO算法，选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰；
分配n个物理块给进程，运行时先把前n个不同页面一起装入内存，然后再从后面逐一比较，输出页面及页错误数和页错误率。
3、LRU算法，根据页面调入内存后的使用情况进行决策；
同样分配n个物理块给进程，前n个不同页面一起装入内存，后面步骤与前一算法类似。
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：
六．设计思想：
OPT基本思想：
是用一维数组page[pSIZE]存储页面号序列，memery[mSIZE]是存储装入物理块中的页面。数组next[mSIZE]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。
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，因此每当发生缺页时，就从队头删除一页，而从队尾加入缺页。或者借助辅助数组time[mSIZE]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page[pSIZE]存储页面号序列，memery[mSIZE]是存储装入物理块中的页面。数组flag[10]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。
七．流程图：
如下页所示
开始
载入页号序列，从第0个得到页号

将页号放入物理块中，编号加1

引用串编号大于物理块数?

否
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
否
否
是
是
是

六．运行结果：
1. 按任意键进行初始化：

2. 载入数据：

3. 进入置换算法选择界面：

4.运算中延迟操作：

5.三种算法演示结果：

八.结论
经过这次课程设计，不但让我了解了页面置换算法，开始我一味的进行调试，急切的想侥幸调试出来，但由于没有进行深入的考虑，我调试了很久都没没有成功，我仔细的分析题目，分析材料，在原由的基础上我进行了改正，我最后还是调试成功了，还是经过了一翻努力，这次操作系统实习，不但让我对操作系统这门课程有了更深入的研究、对很多重要的概念有了巩固和掌握。经过努力，三个页面置换算法程序都已经完成，此时此刻，我心里多了些成就感。虽然自己所做的很少也不够完善，但毕竟也是努力的结果。主要有以下几点收获：
1.经过对上网和看书查阅相关资料，使自己对C语言的基本框架有新的了解，加深了对可视化程序的认识。
2.在使用C语言来实现功能时，不像以往用的其它语言，它比较简练，更容易理解，实用性很强。
3.先进先出页面置换和LRU以及OPT算法各有特点，可是实践起来却很大，使自己对页面置换算法有了新的认识。一周半的课程设计就要结束了，不但对专业知识有了更深的理解，更使的自己认识到实践的重要性，理论、实践相结合才能达到很好的学习效果，特别是程序语言的学习。

六．源代码：
如下页所示【使用C语言】
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
/*全局变量*/
int mSIZE; /*物理块数*/
int pSIZE; /*页面号引用串个数*/
static int memery[10]={0}; /*物理块中的页号*/
static int page[100]={0}; /*页面号引用串*/
static int temp[100][10]={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;
printf("┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓\n");
printf("┃请按任意键进行初始化操作... ┃\n");
printf("┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛\n");
printf(" >>>");
getch();
system("cls");
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(用空格隔开)：");
for(i=0;i<pSIZE;i++)
scanf("%1d",&page[i]);
download();
system("cls");
do{
puts("输入的页面号引用串为：");
for(k=0;k<=(pSIZE-1)/20;k++)
{
for(i=20*k;(i<pSIZE)&&(i<20*(k+1));i++)
{
if(((i+1)%20==0)||(((i+1)%20)&&(i==pSIZE-1)))
printf("%d\n",page[i]);
else
printf("%d ",page[i]);
}
}
printf("* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *\n");
printf("* 请选择页面置换算法：\t\t\t *\n");
printf("* ----------------------------------------- *\n");
printf("* 1.先进先出(FIFO) *\n");
printf("* 2.最近最久未使用(LRU) *\n");
printf("* 3.最佳(OPT) *\n");
printf("* 4.退出 *\n");
printf("* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *\n");
printf("请选择操作：[ ]\b\b");
scanf("%d",&code);
switch(code)
{
case 1:
FIFO();
break;
case 2:
LRU();
break;
case 3:
OPT();
break;
case 4:
system("cls");
exit(0);
default:
printf("输入错误，请重新输入：");
}
printf("按任意键重新选择置换算法：>>>");
getch();
system("cls");
}while (code!=4);
getch();
}
/*载入数据*/
void download()
{
int i;

printf("╔════════════╗\n");
printf("║正在载入数据，请稍候 !!!║\n");
printf("╚════════════╝\n");
printf("Loading...\n");
printf(" O");
for(i=0;i<51;i++)
printf("\b");
for(i=0;i<50;i++)
{
mDelay((pSIZE+mSIZE)/2);
printf(">");
}
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(;Delay>0;Delay--)
{
for(i=0;i<124;i++)
{
printf(" \b");
}
}
}

void print(unsigned int t)
{
int i,j,k,l;
int flag;
for(k=0;k<=(pSIZE-1)/20;k++)
{
for(i=20*k;(i<pSIZE)&&(i<20*(k+1));i++)
{
if(((i+1)%20==0)||(((i+1)%20)&&(i==pSIZE-1)))
printf("%d\n",page[i]);
else
printf("%d ",page[i]);
}
for(j=0;j<mSIZE;j++)
{
for(i=20*k;(i<mSIZE+20*k)&&(i<pSIZE);i++)
{
if(i>=j)
printf(" |%d|",temp[i][j]);
else
printf(" | |");
}
for(i=mSIZE+20*k;(i<pSIZE)&&(i<20*(k+1));i++)
{
for(flag=0,l=0;l<mSIZE;l++)
if(temp[i][l]==temp[i-1][l])
flag++;
if(flag==mSIZE)/*页面在物理块中*/
printf(" ");
else
printf(" |%d|",temp[i][j]);
}
/*每行显示20个*/
if(i%20==0)
continue;
printf("\n");
}
}
printf("----------------------------------------\n");
printf("缺页次数：%d\t\t",t+mSIZE);
printf("缺页率：%d/%d\n",t+mSIZE,pSIZE);
printf("置换次数：%d\t\t",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;i<20;i++)
{
mDelay(15);
if(i%4==0)
printf("\b\b\b\b\b\b \b\b\b\b\b\b");
else
printf("Θ");
}
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 memery[10]={0};
int time[10]={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;i<mSIZE;i++)
{
memery[i]=page[i];
time[i]=i;
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
for(i=mSIZE;i<pSIZE;i++)
{
/*判断新页面号是否在物理块中*/
for(j=0,k=0;j<mSIZE;j++)
{
if(memery[j]!=page[i])
k++;
}
if(k==mSIZE) /*如果不在物理块中*/
{
count++;
/*计算换出页*/
max=time[0]<time[1]?0:1;
for(m=2;m<mSIZE;m++)
if(time[m]<time[max])
max=m;
memery[max]=page[i];
time[max]=i; /*记录该页进入物理块的时间*/
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
else
{
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
}
compute();
print(count);
}
/*最近最久未使用置换算法*/
void LRU()
{
int memery[10]={0};
int flag[10]={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;i<mSIZE;i++)
{
memery[i]=page[i];
flag[i]=i;
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
for(i=mSIZE;i<pSIZE;i++)
{
/*判断新页面号是否在物理块中*/
for(j=0,k=0;j<mSIZE;j++)
{
if(memery[j]!=page[i])
k++;
else
flag[j]=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=flag[0]<flag[1]?0:1;
for(m=2;m<mSIZE;m++)
if(flag[m]<flag[max])
max=m;
memery[max]=page[i];
flag[max]=i; /*记录该页的访问时间*/
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
else
{
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
}
compute();
print(count);
}
/*最佳置换算法*/
void OPT()
{
int memery[10]={0};
int next[10]={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;i<mSIZE;i++)
{
memery[i]=page[i];
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
for(i=mSIZE;i<pSIZE;i++)
{
/*判断新页面号是否在物理块中*/
for(j=0,k=0;j<mSIZE;j++)
{
if(memery[j]!=page[i])
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;m<mSIZE;m++)
{
for(l=i+1;l<pSIZE;l++)
if(memery[m]==page[l])
break;
next[m]=l;
}
/*计算换出页*/
max=next[0]>=next[1]?0:1;
for(m=2;m<mSIZE;m++)
if(next[m]>next[max])
max=m;
/*下一次访问时间都为pSIZE,则置换物理块中第一个*/
memery[max]=page[i];
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
else {
for(j=0;j<mSIZE;j++)
temp[i][j]=memery[j];
}
}
compute();
print(count);
}