东华大学操作系统存储管理实验报告

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1、 操作系统实验报告东华大学计算机学院操作系统实验报告实验名称： 存储管理问题 姓 名： 姜元杰 学号： 111310228 班级： 计算机1102 指导老师： 李继云 报告日期： 2013/11/2 一、 实验概述1. 实验目标存储管理的主要功能之一是合理地分配空间。请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。本实验的目的是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，掌握请求页式管理的页面置换算法。2. 实验要求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：l 50%的指令是顺序执行的；l 25%的指令是均匀分布在前地址部分。l 25%的指令

2、是均匀分布在后地址部分。2) 将指令序列变换成页地址流l 页面大小 = 10条指令l 4页=用户内存容量=32页；l 用户虚存容量 = 32页；l 在用户虚存中，按每K存放10条指令排列虚存地址3) 计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率。l 先进先出的算法（FIFO）；l 最近最少使用算法（LRU）；l 最佳淘汰算法（OPT）； l 命中率=1-页面失效次数/页地址流长度；输出以表结构输出，行头是页码，列头是对应替换算法。在本实验中，页地址流长度为320，页面失效次数为每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存的次数。二、 实验内容1. 设计思路总体思路：设计存储管理类（class

3、 StorageManagemen），封装FIFO，LRU,OPT算法实现函数与各自所需公共或个体数据机构和公共代码部分，实现“TOP-DOWN”的程序设计思想，增强代码结构性和可读性。1) 先进先出的算法（FIFO）：FIFO是最简单的页置换算法，FIFO的页置换的算法为每个页记录着该页调入内存的时间。当必须置换一页时，将选择最旧的页。注意并不需要记录调入一页的确切时间，可以创建一个FIFO队列来管理内存中的所有页。队列中的首页将被置换。当需要调入页时，将它加入到队列的尾部。FIFO的页置换算法很好理解和实现，但是，其性能并不是很好。所替代的页可能是很久以前使用的、现已不再使用的初始化模块，

4、另一方面，所替代的页可能包含一个以前初始化的并且不断使用的常用变量。2) 最近最少使用算法（LRU）：选择最近最长时间未访问过的页面予以淘汰，默认过去一段时间内未访问过的页面，在最近的将来可能也不会被访问。本实验实现算法通过为每个页面设置一个访问字段，用来记录页面自上次被访问以来所经历的时间，淘汰页面时选择现有页面中值最大的予以淘汰。尽管各类参考书声明LRU算法为堆栈类算法，但本实验通过优先队列完全可以实现。3) 最佳淘汰算法（OPT）：最佳置换算法所选择的被淘汰页面将是以后永不使用，或者是在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证获得最低的缺页率。本实验实现算法通过为每个页面设置一个CPU使

5、用“间隔”即表示CPU将在未处理的页面序列中第几步处理到该页面，如果页面不再被CPU处理，赋值为极大值（INT_MAX），淘汰页面时选择现有页面中值最大的予以淘汰。本实验同LRU一样，通过优先队列实现。2. 主要数据结构 1) 公共部分：class StorageManagement：存储管理类，封装所有算法。u const int MAX_OP_NUM：操作页面最大数，默认320u const int MAX_MEMORY_PAGE：用户内存存储物理块数最大值，默认32u int Page_OPMAX_OP_NUM：访问页面序列，随机生成u double Miss：每次访问相应指令时，该指令

6、所对应的页不在内存的次数u double Total：页面置换次数u int TMAX_MEMEORY_PAGE：用户内存存储物理块数u bool isEmpty：内存是否占满2) 先进先出的算法（FIFO）：u queue q：内存存储队列，先进先出3) 最近最少使用算法（LRU）：u struct Lpage：u Lpage lPageMAX_MEMORY_PAGE：FIFO LRU进程页面u priority_queue q：内存存储优先队列，最近使用次数大者优先级高u queue qq：LRU中用于修改最近使用时间函数的临时队列4) 最佳淘汰算法（OPT）：u struct Opage

7、：u Opage oPageMAX_MEMORY_PAGE ：OPT进程页面u priority_queue q：内存存储优先队列，CPU使用间隔大者优先级高u queue qq：OPT中用于修改使用间隔的临时队列3. 主要代码结构1) 公共部分：u int main()：Main函数菜单界面u void Initial(int n)：用于初始化各算法参数的函数u void Output(int n)：控制输出函数2) 最近最少使用算法（LRU）：u void alterLateUse(priority_queue &q, int Pos) ：LRU中用于修改内存中页面最近使用时间3) 最佳淘

8、汰算法（OPT）：u alterDist(priority_queue &q, int n, int *Page_OP)：OPT中用于修改内存中页面使用间隔4. 主要代码段分析(加粗下划线部分为核心)1) 公共部分：按照实验要求，随机生成320条随机数指令流，同时转换为页地址流（分析部分见注释）2) 先进先出的算法（FIFO）：主要代码控制部分（分析部分见注释）：3) 最近最少使用算法（LRU）：a) 主要代码控制部分：b) 修改最近使用时间函数：u 片段1：当待访问页面不在内存存储中，无论内存存满与否，内存中所有页面最近使用次数增加；u 片段2：当待访问页面已在内存存储中，对应内存存储页最近

9、使用次数清0；4) 最佳淘汰算法（OPT）：a) 主要代码控制部分：b) 修改CPU使用间隔函数：u 片段1：当待访问页面不在内存存储中且内存已满，需要进行页面置换时，遍历未处理页面序列，找出内存中CPU永不处理页面并替换，否则替换CPU使用时间最晚（CPU使用间隔）的页面；u 片段2：对于内存中CPU永不处理页面，对应CPU使用间隔赋极大值INT_MAX，实现在优先队列中优先弹出，实现页面置换；三、 实验结果1. 基本数据：程序内随机生成。2. 源代码行数：代码共274行。3. 完成实验投入时间：累计共12小时4. 讨论次数：0次5. 测试结果分析：测试结果分析：综上比较，帧较少时，OPT算

10、法命中率较高。其次是LRU。四、 实验体会1. 实验过程中遇到问题及解决过程问题：初次完成代码后，发现LRU算法和OPT算法命中率相同。解决过程：初始阶段，一直在调试OPT算法，后来通过模拟数据，调试发现LRU算法有几处Bug后，之后OPT算法根据结果调试了很久终于解决问题。2. 实验体会和收获页面替换算法实际早在计算机组成原理课中上过，当时仅仅局限于理论理解，没有进行上机模拟，所以理解比较肤浅，故实验前着重熟悉了各置换算法的原理和实现方式。所谓“谋定而后动”，上机实践还是遵循着程序设计=数据结构+算法的原则，成熟的算法和理想的数据结构可以使程序设计事半功倍。在认真温习原理和设定算法后，基于算法设计数据结构，本实验中根据各置换算法不同特点，分别选用普通队列，优先队列来实现算法。通过实践操作即加深了对于页面置换算法的深刻理解，又熟悉掌握了常用数据结构的用法。尽管调试代码，发现bug非常煎熬（熬夜到半夜才修复所有Bug），但是最后圆满解决问题的成就感也是无与伦比的。 五、 参考文献1. 汤小丹，梁红兵等著. 计算机操作系统（第三版）2. 王道论坛组编. 2013年计算机操作系统联考复习指导- 10 -