MicrosoftVisualC6.0的环境下操作系统课程设计报告书

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1、. . . . 目 录1引言11.1编写目的11.2设计容11.3设计原理11.3.1先进先出算法（FIFO）11.3.2最优置换算法（OPT）11.3.3 最近最久未使用算法（LRU）21.4运行环境22设计方案32.1模块划分32.3模块调用关系图32.4模块流程图32.4.1 主函数流程图32.4.2 FIFO函数流程图42.4.3 LRU函数流程图52.4.4 OPT函数流程图53源代码63.1程序代码64测试结果164.1页面选择测试164.2应用算法选择测试165总结186程序使用说明书197参考文献191引言1.1编写目的在Microsoft Visual C+6.0的环境下用C

2、+语言编写程序，实现操作系统中页面在存与外存中如何置换的问题。1.2设计容设计一个虚拟存储区和存工作区,编程序演示下述算法的具体实现过程,并计算访问命中率。设计要求：主界面以灵活选择某算法，且以下算法都要实现1、先进先出算法（FIFO）2、最近最久未使用算法（LRU）3、最佳置换算法（OPT）1.3设计原理1.3.1先进先出算法（FIFO）最简单的页面置换算法是先入先出（FIFO）法。这种算法的实质是，总是选择在主存中停留时间最长（即最老）的一页置换，即先进入存的页，先退出存。理由是：最早调入存的页，其不再被使用的可能性比刚调入存的可能性大。建立一个FIFO队列，收容所有在存中的页。被置换页面

3、总是在队列头上进行。当一个页面被放入存时，就把它插在队尾上。这种算法只是在按线性顺序访问地址空间时才是理想的，否则效率不高。因为那些常被访问的页，往往在主存中也停留得最久，结果它们因变“老”而不得不被置换出去。FIFO的另一个缺点是，它有一种异常现象，即在增加存储块的情况下，反而使缺页中断率增加了。当然，导致这种异常现象的页面走向实际上是很少见的。1.3.2最优置换算法（OPT）最优置换（Optimal Replacement）是在理论上提出的一种算法。其实质是：当调入新的一页而必须预先置换某个老页时，所选择的老页应是将来不再被使用，或者是在最远的将来才被访问。采用这种页面置换算法，保证有最少

4、的缺页率。但是最优页面置换算法的实现是困难的，因为它需要人们预先就知道一个进程整个运行过程中页面走向的全部情况。不过，这个算法可用来衡量（如通过模拟实验分析或理论分析）其他算法的优劣。1.3.3 最近最久未使用算法（LRU）FIFO算法和OPT算法之间的主要差别是，FIFO算法利用页面进入存后的时间长短作为置换依据，而OPT算法的依据是将来使用页面的时间。如果以最近的过去作为不久将来的近似，那么就可以把过去最长一段时间里不曾被使用的页面置换掉。它的实质是，当需要置换一页时，选择在最近一段时间里最久没有使用过的页面予以置换。这种算法就称为最久未使用算法（Least Recently Used，L

5、RU）。LRU算法是与每个页面最后使用的时间有关的。当必须置换一个页面时，LRU算法选择过去一段时间里最久未被使用的页面。LRU算法是经常采用的页面置换算法，并被认为是相当好的，但是存在如何实现它的问题。LRU算法需要实际硬件的支持。其问题是怎么确定最后使用时间的顺序，对此有两种可行的办法：（1）计数器。最简单的情况是使每个页表项对应一个使用时间字段，并给CPU增加一个逻辑时钟或计数器。每次存储访问，该时钟都加1。每当访问一个页面时，时钟寄存器的容就被复制到相应页表项的使用时间字段中。这样我们就可以始终保留着每个页面最后访问的“时间”。在置换页面时，选择该时间值最小的页面。这样做，不仅要查页表

6、，而且当页表改变时（因CPU调度）要维护这个页表中的时间，还要考虑到时钟值溢出的问题。（2）栈。用一个栈保留页号。每当访问一个页面时，就把它从栈中取出放在栈顶上。这样一来，栈顶总是放有目前使用最多的页，而栈底放着目前最少使用的页。由于要从栈的中间移走一项，所以要用具有头尾指针的双向链连起来。在最坏的情况下，移走一页并把它放在栈顶上需要改动6个指针。每次修改都要有开销，但需要置换哪个页面却可直接得到，用不着查找，因为尾指针指向栈底，其中有被置换页。因实现LRU算法必须有大量硬件支持，还需要一定的软件开销。所以实际实现的都是一种简单有效的LRU近似算法。一种LRU近似算法是最近未使用算法（Not

7、Recently Used，NUR）。它在存储分块表的每一表项中增加一个引用位，操作系统定期地将它们置为0。当某一页被访问时，由硬件将该位置1。过一段时间后，通过检查这些位可以确定哪些页使用过，哪些页自上次置0后还未使用过。就可把该位是0的页淘汰出去，因为在最近一段时间里它未被访问过。1.4运行环境操作系统：Windows XP编程环境：Microsoft Visual C+6.02设计方案2.1模块划分主界面：设置页面产生算法选择界面和页面置换算法选择界面；子界面：页面产生算法分为两个界面，分别是随机产生算法和自己输入产生算法。页面置换算法分为三个子界面，分别是先进先出算法界面、最近最久未使

8、用算法界面、最佳置换算法界面。2.3模块调用关系图 图212.4模块流程图2.4.1主函数流程图 图222.4.2FIFO函数流程图图232.4.3LRU函数流程图图242.4.4OPT函数流程图图253源代码3.1程序代码#include #include #include#define Bsize 3#define Psize 12#includeusing namespace std;int QStringPsize;int Num=0;struct pageInfor int content;/页面号 int timer;/被访问标记 ;class YZ_replacepublic:

9、YZ_replace(); /构造函数 YZ_replace(); /析构函数 int findSpace(); /查找是否有空闲存 int findExist(int curpage); /查找存中是否有该页面 int findReplace(); /查找应予置换的页面 void FIFO(); /FIFO算法 void OPT(); void BlockClear(); /BLOCK恢复 void initia1(int string);/初始化 pageInfor *block; /物理块 pageInfor *page; /页面号串 int memory_stateBsizePsize

10、; int s;private:;void P_String(int QString) /随机产生页面的各个数 int i; srand(unsigned)time(NULL); for(i=0;iPsize;i+) QStringi=rand()*9/RAND_MAX+1; cout页面走向：; for(i=0;iPsize;i+)/输出各个数 coutQStringi ; coutendl;YZ_replace:YZ_replace()/构造函数初始化Block，s=0; block = new pageInforBsize; for(int i=0; iBsize; i+) blocki

11、.content = -1; blocki.timer = 0;void YZ_replace:initia1(int QString )/用于初始化页 int j; page = new pageInforPsize; for(int i=0; iPsize; i+) pagei.content = QStringi; pagei.timer = 0; for(i=0;iPsize;i+) for(j=0;jBsize;j+) memory_stateji=0;YZ_replace:YZ_replace() s=0;int YZ_replace:findSpace()/查找是否有空闲存 fo

12、r(int i=0; iBsize; i+) if(blocki.content = -1) return i;/找到空闲存， return -1;int YZ_replace:findExist(int curpage)/查找存中是否有该页面 for(int i=0; iBsize; i+) if(blocki.content = pagecurpage.content)/找到存中有该页面，返回BLOCK中位置 return i; return -1;int YZ_replace:findReplace()/查找先进先出算法中应予置换的页面 int pos = 0; for(int i=0;

13、 i= blockpos.timer) /找到应予置换页面，返回BLOCK中位置 pos = i; return pos;void YZ_replace:FIFO()/先进先出核心算法 int exist,space,position ; for(int i=0; iPsize; i+) exist = findExist(i); if(exist != -1)/存中有该页面 for(int b=0; bBsize; b+) memory_statebi=memory_statebi-1; s+;/记录命中数的变量加1 else space = findSpace(); if(space !=

14、 -1)/存中有空闲 for(int b=0; bBsize; b+) memory_statebi=memory_statebi-1;/将第一列的数组复制到第二列 blockspace = pagei; memory_statespacei=blockspace.content; else/存中没有空闲 for(int b=0; bBsize; b+) memory_statebi=memory_statebi-1; position = findReplace();/找到要置换的位置 blockposition = pagei; memory_statepositioni=blockpos

15、ition.content; for(int j=0; jBsize; j+) blockj.timer+;/BLOCK中所有页面TIMER+ void YZ_replace:BlockClear()/BLOCK恢复 for(int i=0; iBsize; i+) blocki.content = -1; blocki.timer = 0; typedef struct page int num; /*记录页面号*/ int time; /*记录调入存时间*/Page; /* 页面逻辑结构，结构为方便算法实现设计*/Page bBsize;Page callBsize; /*存单元数*/in

16、t cBsizePsize; /*暂保存存当前的状态：缓冲区*/int queue100; /*记录调入队列*/int K; /*调入队列计数变量*/void InitL(Page *b,int cBsizePsize) /*初始化存单元、缓冲区*/ int i,j; for(i=0;iBsize;i+) bi.num=-1; bi.time=Psize-i-1; for(i=0;iBsize;i+) for(j=0;jPsize;j+) cij=-1;int GetMax(Page *b)/*取得在存中停留最久的页面,默认状态下为最早调入的页面*/ int i; int max=-1; in

17、t tag=0; for(i=0;imax) max=bi.time; tag=i; return tag;int Equation(int fold,Page *b)/*判断页面是否已在存中*/ int i; for(i=0;i=0) bval.time=0; for(i=0;iBsize;i+) if (i!=val) bi.time+; else queue+K=fold;/*记录调入页面*/ val=GetMax(b); bval.num=fold; bval.time=0; for(i=0;iBsize;i+) if (i!=val) bi.time+; /*以下是最佳置换算法*/v

18、oid YZ_replace:OPT()int exist,space,position ;for(int i=0; iPsize; i+)exist = findExist(i);if(exist != -1)/存中存在该页面，此时即为命中for(int b=0; bBsize; b+)memory_statebi=memory_statebi-1;s+;/命中次数加1else/存中不存在该页面 space = findSpace();/查找是否有空闲存if(space != -1)/有空闲存for(int b=0; bBsize; b+)memory_statebi=memory_stat

19、ebi-1;blockspace = pagei;/页面调入存memory_statespacei=blockspace.content;elsefor(int k=0; kBsize; k+)memory_stateki=memory_stateki-1; for(int j=i; jPsize; j+) if(blockk.content != pagej.content) blockk.timer = 1000; /将来不会用，设置TIMER为一个很大数 else blockk.timer = j; break; position = findReplace(); blockpositi

20、on = pagei; memory_statepositioni=blockposition.content;int decide(string str) /判断输入数据是否为整型for(int i=0;istr.size();i+) if(stri9)return 0;break;return i;int trans(string str) /将字符串转换成数字int sum=0;for(int i=0;istr;a=decide(str);while(a=0)cout输入错误,请重新输入！str; a=decide(str); d=trans(str);return d;void Put

21、()/页面产生的方法 cout请选择产生页面的方法 a:随机产生 b:输入产生endl; coutF; while(F!=a&F!=b)coutF; if(F=a)P_String(QString) ; if(F=b) cout请输入各页面号:endl;for(int i=0;iPsize;i+)QStringi=put(); coutendl; cout|-|endl;void main() cout|-页 面 置 换 算 法-|endl; cout|-|endl; int t=1; while(t) Put(); YZ_replace test1; YZ_replace test3; ch

22、ar select; do cout请选择要应用的算法:FIFO算法 LRU算法 OPT算法 退出endl; int p,q; coutselect; while(select!=0&select!=1&select!=2&select!=3) cout您的输入无效,请重新输入:select; if(select=0) cout您选择的是菜单endl; cout完成退出.endl; t=0; if(select=1) cout您选择的是菜单endl; coutFIFO算法状态:endl; test1.initia1(QString); test1.FIFO(); test1.BlockClea

23、r(); cout-endl; for(p=0;pBsize;p+) for(q=0;qPsize;q+) couttest1.memory_statepq ; coutendl; cout-endl; cout命中率:test1.s/Psizeendl; test1.YZ_replace(); coutendl; if(select=2) int i,j; K=-1; InitL(b, c); for(i=0;iPsize;i+) Lru(QStringi,b); c0i=QStringi;/*记录当前的存单元中的页面*/ for(j=0;jBsize;j+) cji=bj.num; cou

24、t您选择的是菜单endl; coutLRU算法状态:endl; cout-endl;/*结果输出*/ for(i=0;iBsize;i+) for(j=0;jPsize;j+) if(cij=-1) cout 0; else cout cij; cout endl; cout-endl; cout命中率:(Psize-(K+1)/Psize; coutt; coutendl; if(select=3) cout您选择的是菜单endl; coutOPT算法状态:endl; test3.initia1(QString); test3.OPT(); test3.BlockClear(); cout-

25、endl; for(p=0;pBsize;p+) for(q=0;qPsize;q+) couttest3.memory_statepq ; coutendl; cout-endl; cout命中率:test3.s/Psizeendl; test3.YZ_replace(); coutendl; while(select=1|select=2|select=3); 20 / 214测试结果4.1页面选择测试图41图42分析：页面产生的方法有两种选择，分别是随机产生和自己输入产生，选择菜单的时候有对异常输入的处理，如果输入错误，有错误提示，当输入正确菜单的时候，选择a，自动产生页面走向，如果选择

26、b，自己可以任意输入，如果输入错误，有错误提示。4.2应用算法选择测试图43分析：选择算法时，有异常处理，即如果输入错误，有错误提示。如果选择菜单1，即选择了FIFO算法，展示此算法的置换状态并显示命中率。置换状态以二维数组的形式输出，既直观又清晰。图44分析：算法一进行完以后，界面自动跳到应用算法的选择界面，即可以再次选择置换算法，选择菜单2，即选择了LRU算法，展示此算法的置换状态并显示命中率，可以和第一个算法进行对比，找出两种算法的不同。图45分析：算法二进行完以后，界面自动跳到应用算法的选择界面，即可以再次选择置换算法，选择菜单3，即选择了OPT算法，展示此算法的置换状态并显示命中率，

27、可以和第二个算法进行对比，找出两种算法的不同。图46分析：算法三进行完以后，界面自动跳到应用算法的选择界面，选择0，可以退出此系统，显示完成退出。5总结为期两周的操作系统课设在不断的探索、尝试、成功中结束了。现在，站在成功地峰顶，回顾着走过的一路，真是什么感觉都有，枯燥、失败、劳累、迷茫、喜悦，应该说，我的设计体会相当深刻。首先，谈谈本系统的不足：第一，我设计的页面值换算法里，页面个数和存个数是一个定数，在这一点上没有实现与操作员的交互，即页面数和存个数并不能手动输入；第二，我设计的系统在界面上并没有太大的优化，没有实现选择算法后可以重新选择页面产生的算法，重新进行页面置换的选择。总体上来说，

28、这两方面是本系统可以改进的地方，虽然我的课设已经验收，但是我在验收完成后，继续完善了我的整个界面并改进了系统的不足之处，以达到系统的完整性，简洁性，交互性。其次，谈谈本系统特色、新的发明、创造等：第一，在我的系统里，我觉得最大的亮点以与不同于别人的地方就是将三种页面置换算法按照课本上老师讲的方式直观简便的输出 ，在采用输出算法时，我摒弃了常人所用的一维数组输出法，而别出心裁的采用了二维数组的输出算法，模拟了存的物理块，清晰直观的表达了页面是如何在外存中被调入存中的，以与各页面在调入过程中是否命中或在置换时又置换了存中哪个页面。第二，在软件工程的角度来看，我的系统具有高聚低耦合的优点，即各种算法

29、之间，并不影响彼此的函数调用，而在各算法的部，聚度很高。最后，在整体上自我评价一下我的系统：第一，在功能上，它完全实现了各种页面置换算法的模拟；第二，在界面设计上，新颖独特，独树一帜，采用了二维数组的输出方法了；第三，异常处理面面俱到，不需要担心因为输入错误而出现乱码，甚至重新执行。我的结束语：在此课设期间我为自己总结了四句话：鄙视平庸和碌碌无为，敢于主自己并坚持不懈，用于忍耐寂寞、枯燥和劳累，善于探求登峰捷径且百折不挠。最最后，也是我最想说的话，衷心地感新荣老师对我的悉心指导和最大的信任。6程序使用说明书首先，我的程序采用C+语言编写，需要在Windows XP操作系统中的Microsoft Visual C+6.0编程环境中运行，打开Microsoft Visual C+6.0编程环境，新建一个编译文件；其次，打开我的程序文档，将程序复制到编程环境中，进行调试、和执行，在执行过程中，系统界面已经给出各种提示，测试人员可以随意输入，出错后，会自动跳出错误提示。最后，测试人员可以在系统界面的提示下，自己退出系统。7参考文献1、现代操作系统 汤小丹 电子工业 2、软件工程导论（第五版）海藩 人民邮电 3、C+程序设计基础 周蔼林 林伟健 电子工业4、数据结构（第二版）振鹏 小莉 艳娟 中国铁道