5.1 实验目的
1.加深对操作系统存储管理的理解。
2.能够模拟页面调试算法，加深理解操作系统对内存的高度管理。
5.2 背景知识
1.进先出的算法（FIFO）
2.最近最少使用的算法（LRU）
3.最佳淘汰算法(OPT)
4.最少访问页面算法(LFU)
5.最近最不经常使用算法(NUR)
5.3 实验内容
设计一个虚拟存储区和内存工作区，并使用下列算法计算访问命中率。
1.进先出的算法（FIFO）
2.最近最少使用的算法（LRU）
3.最佳淘汰算法(OPT)
4.最少访问页面算法(LFU)
5.最近最不经常使用算法(NUR)
命中率=1-页面缺页次数/页地址流长度（缺页率）
请同学们自行设计第2和第3个算法。并比较分析程序结果，
参考例程
首先用srand()和rand()函数定义和产生指令序列，然后将指令序列变换成相应的页地址流，并针对不同的算法计算出相应的命中率。相关定义如下：
1.数据结构
(1)页面类型
typedefstruct{
int pn,pfn,counter,time;
}pl_type;
其中pn 为页号,pfn为面框号（块号）, counter为一个周期内访问该页面的次数, time为访问时间.
(2) 页面控制结构
pfc_struct{
intpn,pfn;
structpfc_struct *next;
}
typedef struct pfc_struct pfc_type;
pfc_type pfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head;
pfc_type *busypf_tail;
其中pfc[total_vp]定义用户进程虚页控制结构,
*freepf_head为空页面头的指针,
*busypf_head为忙页面头的指针,
*busypf_tail为忙页面尾的指针.
2．函数定义
（1）void initialize( ):初始化函数,给每个相关的页面赋值.
（2）void FIFO( ):计算使用FIFO算法时的命中率.
（3）void LRU( ):计算使用LRU算法时的命中率.
（4）void OPT( ):计算使用OPT算法时的命中率.
（5）void LFU( ):计算使用LFU算法时的命中率.
（6）void NUR( ):计算使用NUR算法时的命中率.
3.变量定义
(1)int a[total_instruction]: 指令流数据组.
(2)int page[total_instruction]: 每条指令所属的页号.
(3)int offset[total_instruction]: 每页装入10条指令后取模运算页号偏移值.
(4)int total_pf: 用户进程的内存页面数.
(5)int disaffect: 页面失效次数.
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include <unistd.h>
#defineTRUE 1
#defineFALSE 0
#defineINVALID -1
//#defineNULL 0
#define total_instruction 320 /*指令流长*/
#define total_vp 32 /*虚页长*/
#define clear_period 50 /*清0周期*/
typedefstruct /*页面结构*/
{
int pn; //页号 logic number
int pfn; //页面框架号 physical frame number（物理块号）
int counter; //计数器
int time; //时间
}pl_type;
pl_typepl[total_vp]; /*页面线性结构---指令序列需要使用地址*/
typedefstruct pfc_struct /*页面控制结构，调度算法的控制结构*/
{
int pn;
int pfn;
struct pfc_struct *next;
}pfc_type;
pfc_typepfc[total_vp], *freepf_head, *busypf_head, *busypf_tail;
intdiseffect, a[total_instruction]; /* a[]为指令序列*/
int page[total_instruction], offset[total_instruction];/*地址信息*/
intinitialize(int);
intFIFO(int);
intLRU(int);
intLFU(int);
intNUR(int); //not use recently
intOPT(int);
int main()
{
int s,i,j;
srand(10*getpid()); /*由于每次运行时进程号不同，故可用来作为初始化随机数队列的“种子”*/
//s=(float)319*rand()/32767/32767/2+1; /*正态分布*/
s=(float)319*rand()/32767+1;
for(i=0;i<total_instruction;i+=4) /*产生指令队列*/
{
if(s<0||s>319)
{
printf("Wheni==%d,Error,s==%d\n",i,s);
exit(0);
}
a[i]=s; /*任选一指令访问点m*/
a[i+1]=a[i]+1; /*顺序执行一条指令*/
a[i+2]=(float)a[i]*rand( )/32767; /*执行前地址指令m*/
a[i+3]=a[i+2]+1; /*顺序执行一条指令*/
// s=(float)(318-a[i+2])*rand()/32767/32767/2+a[i+2]+2;
s=(float)(318-a[i+2])*rand()/32767+a[i+2]+2;
if((a[i+2]>318)||(s>319))
printf("a[%d+2],a number which is:%d and s==%d\n",i,a[i+2],s);
}
for (i=0;i<total_instruction;i++) /*将指令序列变换成页地址流*/
{
printf("a[%d]=%d, ",i,a[i]);
page[i]=a[i]/10;
offset[i]=a[i]%10;
}
for(i=4;i<=32;i++) /*用户内存工作区从4个页面到32个页面*/
{
printf("---%2d pageframes---\n",i);
FIFO(i);
LRU(i);
LFU(i);
NUR(i);
OPT(i);
}
return 0;
}
/*初始化相关数据结构total_pf表示内存的块数 */
intinitialize(int total_pf)
{
int i;
diseffect=0;
for(i=0;i<total_vp;i++)
{
pl[i].pfn=INVALID; /*置页面控制结构中的页号，页面为空*/
pl[i].counter=0; /*页面控制结构中的访问次数为0*/
pl[i].time=-1; /*访问的时间*/
}
for(i=0;i<total_pf-1;i++) /*建立pfc[i-1]和pfc[i]之间的链接*/
{
pfc[i].next=&pfc[i+1];
pfc[i].pfn=i;
}
pfc[total_pf-1].next=NULL;
pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;
freepf_head=&pfc[0]; /*空页面队列的头指针为pfc[0]*/
return 0;
}
intFIFO(int total_pf) /*先进先出算法total_pf:用户进程的内存页面数*/
{
int i,j;
pfc_type *p; /*中间变量*/
initialize(total_pf); /*初始化相关页面控制用数据结构*/
busypf_head=busypf_tail=NULL; /*忙页面队列头，队列尾链接*/
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{
if(pl[page[i]].pfn==INVALID) /*页面失效,即缺页*/
{
diseffect+=1; /*失效（缺页）次数*/
if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/
{
p=busypf_head->next;
pl[busypf_head->pn].pfn=INVALID;
freepf_head=busypf_head; /*释放忙页面队列的第一个页面*/
freepf_head->next=NULL; /*表明还是缺页*/
busypf_head=p;
}
p=freepf_head->next;
freepf_head->pn=page[i];
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head->next=NULL; /*使busy的尾为null*/
if(busypf_tail==NULL)
{
busypf_tail=busypf_head=freepf_head;
}
else
{
busypf_tail->next=freepf_head;
busypf_tail=freepf_head;
}
freepf_head=p;
}
}
printf("FIFO:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int LRU(int total_pf) /*最近最久未使用算法leastrecently used*/
{
//请同学们自行设计LRU算法
return 0;
}
int NUR(int total_pf ) /*最近未使用算法Not Usedrecently count表示*/
{
int i,j,dp,cont_flag,old_dp;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
dp=0;
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{
if (pl[page[i]].pfn==INVALID) /*页面失效（缺页）*/
{
diseffect++;
if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/
{
cont_flag=TRUE;
old_dp=dp;
while(cont_flag)
{
if(pl[dp].counter==0&&pl[dp].pfn!=INVALID)
cont_flag=FALSE;
else
{
dp++;
if(dp==total_vp)
dp=0;
if(dp==old_dp)
for(j=0;j<total_vp;j++)
pl[j].counter=0;
}
}
freepf_head=&pfc[pl[dp].pfn];
pl[dp].pfn=INVALID;
freepf_head->next=NULL;
}
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head->pn=page[i];
freepf_head=freepf_head->next;
}
else
pl[page[i]].counter=1;
if(i%clear_period==0)
for(j=0;j<total_vp;j++)
pl[j].counter=0;
}
printf("NUR:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int OPT(int total_pf) /*最佳置换算法*/
{
//请同学们自行设计最佳置换算法
return 0;
}
/*该算法时根据已知的预测未知的，leastfrequency Used是最不经常使用置换法*/
int LFU(int total_pf)
{
int i,j,min,minpage;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{
if(pl[page[i]].pfn==INVALID) /*页面失效*/
{
diseffect++;
if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/
{
min=32767;
/*获取counter的使用用频率最小的内存*/
for(j=0;j<total_vp;j++)
{
if(min>pl[j].counter&&pl[j].pfn!=INVALID)
{
min=pl[j].counter;
minpage=j;
}
}
freepf_head=&pfc[pl[minpage].pfn];
pl[minpage].pfn=INVALID;
pl[minpage].counter=0;
freepf_head->next=NULL;
}
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn; //有空闲页面,改为有效
pl[page[i]].counter++;
freepf_head=freepf_head->next; //减少一个free 页面
}
else
{
pl[page[i]].counter;
pl[page[i]].counter=pl[page[i]].counter+1;
}
}
printf("LFU:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
