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2021-05-17 16:46:00
模拟请求分页式存储管理
1. 实验要求
- 内存总容量4MB,页面大小4KB。
- 用户自定义创建进程(进程名和所需存储空间),随机生成该进程的页面访问序列。
- 实现页面序列的访问过程,记录页面状态、访问次数和加载入内存的时间。
- 内存空间满时,可通过LRU、FIFO和OPT中的任意调度算法实现页面的置换,要求只能置换当前页面所在进程的的其他页面。
- 页面序列加载完毕后,输出当前进程的页面内容
- 实现查看内存分配状况的功能
2. 语言技巧总结(待完善)
①vector容器
②iterator迭代器
③结构体变量的初始化
④rand和srand生成随机数
⑤休眠函数Sleep()
⑥计时函数clock()
⑦取整函数floor()和ceil()
3. 源代码
#include <iostream> #include <string> #include <vector> #include <cstring> #include <ctime> #include <cmath> #include <iterator> #include <cstdlib> #include <windows.h> using namespace std; //页表项 typedef struct Page_item { bool status; //页面所在位置,true为内存,false为外存 int block_num; //内存块号 int visit_num; //访问次数 bool change; //内容是否更改 double into_time; //首次访问时间 double last_visit_time; //最后访问时间 } Page_item; //页表 typedef vector<Page_item> Page; //进程控制块 typedef struct P { string name; //进程名 int size; //页数 Page page; //页表 } P; vector<P> all; //所有进程信息表 bool M[1000]; //总内存4M,内存块大小4k int occupy; //当前内存块占用状态 int list[100]; //访问序列 clock_t startTime, tempTime; //时间记录 int note[1000];//用OPT置换时记录页面的预访问次数 //LRU页面置换 void LRU(Page &page, Page_item &page_item) { vector<Page_item>::iterator it = page.begin(); //遍历迭代器 vector<Page_item>::iterator earliest_it = page.begin(); //上次最早访问迭代器 for (; it != page.end(); it++) if (it->status && it->last_visit_time < earliest_it->last_visit_time) earliest_it = it; //新页面换入 page_item.status = true; page_item.block_num = earliest_it->block_num; tempTime = clock(); page_item.into_time = page_item.last_visit_time = (double)tempTime / CLOCKS_PER_SEC; page_item.visit_num = 1; //旧页面换出 earliest_it->status = false; } //FIFO置换策略,与LRU相似,找出最早加载到内存的页面来置换 void FIFO(Page &page, Page_item &page_item) { vector<Page_item>::iterator it = page.begin(); vector<Page_item>::iterator earliest_it = page.begin(); for (; it != page.end(); it++) if (it->status && it->into_time < earliest_it->last_visit_time) earliest_it = it; page_item.status = true; page_item.block_num = earliest_it->block_num; tempTime = clock(); page_item.into_time = page_item.last_visit_time = (double)tempTime / CLOCKS_PER_SEC; page_item.visit_num = 1; earliest_it->status = false; } //OPT置换策略 void OPT(Page &page, Page_item &page_item, int temp_pos, int list_length, int p_size) { //记录数组初始化 for (int i = 0; i < p_size; i++) note[i] = -1; //当前已处于内存中的进程页面记录初始化 vector<Page_item>::iterator it = page.begin(); for (int i = 0; it != page.end(); it++, i++) if (it->status) note[i] = 0; //遍历待访问序列,记录到note中 for (int i = temp_pos; i < list_length; i++) if (note[i] != -1) note[list[i]]++; //置换出将来最少用到的页面 int will_least; int minVal = 99999; for (int i = 0; i < p_size; i++) if (note[i] != -1 && note[i] < minVal) { minVal = note[i]; will_least = i; } //新页面换入 page_item.status = true; page_item.block_num = page[will_least].block_num; tempTime = clock(); page_item.into_time = page_item.last_visit_time = (double)tempTime / CLOCKS_PER_SEC; page_item.visit_num = 1; //旧页面换出 page[will_least].status = false; } //创建并加载进程到内存 void createProcess() { //创建进程 string temp_name; int temp_size, count; cout << "请依次输入进程的名称和大小(k):" << endl; cin >> temp_name >> temp_size; P process = { .name = temp_name, .size = ceil(temp_size / 4.0)}; cout << "进程" + process.name + "已经创建成功,共" << process.size << "页" << endl; //生成访问序列 srand((unsigned)time(NULL)); //每次生成随机数前,更换随机数种子为当前时间 count = rand() % 20 + 5; //访问序列长度为5——25,可根据需要更改 for (int i = 0; i < count; i++) list[i] = rand() % process.size; cout << "随机产生的页面访问序列为:"; for (int i = 0; i < count; i++) cout << list[i] << ' '; cout << endl; //初始化页表 Page page; for (int i = 0; i < process.size; i++) { Page_item temp = { .status = false}; page.push_back(temp); } process.page = page; //遍历访问序列 for (int i = 0; i < count; i++) { tempTime = clock(); if (!process.page[list[i]].status) //页面未加载 { if (occupy == 1000) //内存已满 { cout << "内存已满!" << endl; if (i == 0) { cout << "当前进程无可调出页面,只能调出其他进程的页面,本程序暂不支持此操作!" << endl; break; } cout << "请选择页面置换的调度方式:" << endl << "1.LRU(优先调出最久未使用的页面)" << endl << "2.FIFO(优先调出最早进入内存的页面)" << endl << "3.OPT(优先调出以后最不经常使用的页面)" << endl; char choice; cin >> choice; switch (choice) { case '1': LRU(process.page, process.page[list[i]]); cout << "置换成功!" << endl; break; case '2': FIFO(process.page, process.page[list[i]]); cout << "置换成功!" << endl; break; case '3': OPT(process.page, process.page[list[i]], i, count, process.size); cout << "置换成功!" << endl; break; default: cout << "输入有误,本页面调入失败" << endl; break; } } else { int pos = rand() % 1000; int next_pos; for (int j = 0; j < 1000; j++) { next_pos = (pos + j) % 1000; if (M[next_pos]) { M[next_pos] = false; occupy++; process.page[list[i]].status = true; process.page[list[i]].visit_num = 1; process.page[list[i]].block_num = next_pos; process.page[list[i]].into_time = process.page[list[i]].last_visit_time = (double)tempTime / CLOCKS_PER_SEC; break; } } } } else //页面已加载 { process.page[list[i]].visit_num++; process.page[list[i]].last_visit_time = (double)tempTime / CLOCKS_PER_SEC; } Sleep(100); //每次加载页面休眠100ms } //输出当前进程的页表 vector<Page_item>::iterator it = process.page.begin(); cout << endl; cout << "进程" << process.name << "的页表如下" << endl; for (int i = 0; it != process.page.end(); it++, i++) { cout << "页号:" << i << " "; if (it->status) cout << "主存块号:" << it->block_num << " " << "访问次数:" << it->visit_num << " " << "首次访问时间:" << it->into_time << "ms" << " " << "最后访问时间:" << it->last_visit_time << "ms" << " " << endl; else cout << "未调入主存" << endl; } cout << endl; all.push_back(process); } //打印当前内存使用情况 void showStorage() { vector<P>::iterator it = all.begin(); cout << "内存占用情况如下:" << endl; cout << "进程名" << " " << "占据内存块数" << endl; for (; it != all.end(); it++) cout << it->name << " " << it->size << endl; } int main() { memset(M, 1, sizeof(M)); occupy = 0; char choice; bool flag = true; startTime = clock(); while (flag) { cout << "请输入要进行的操作:" << endl << "1.查看当前内存中进程占用情况" << endl << "2.创建新进程" << endl << "3.退出" << endl; cin >> choice; switch (choice) { case '1': showStorage(); break; case '2': createProcess(); break; case '3': flag = false; break; default: cout << "输入有误" << endl; break; } } return 0; }
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目录
2.1目的
- 熟练掌握分页式管理基本原理,并在实验过程中体现内存空间的分配回收、地址转换过程。
- 掌握利用位示图管理内存与置换空间的分配与回收。
- 掌握基本的位运算
- 掌握请求式分页存储管理基本原理,并在试验过程中体会内存与置换空间的分配与回收、地址转换以及缺页处理过程。
2.2内容
在实验一的基础上实现分页式存储管理内存分配和地址转换过程。进一步实现请求分页式存储管理过程,包括内存和置换空间管理、地址转换以及缺页处理,能够体现FIFO和LRU算法思想。
2.3实验提示
1.建立一个位示图数据结构,用来模拟内存的使用情况。位示图是利用若干位的0/1值代表某类空间的占用状态的数据结构。在本实验中,位示图的位数与设定的物理块个数相同。程序启动时可利用一组随机0或1填充位示图,以模拟程序开始执行是内存已被占用状态。
假设内存大小为64K,块大小为1K,则共有64个块,需要创建如下的位示图数据结构:
#define BLOCK_SIZE 1024 //块大小,定义成宏,便于修改
#define MEM_SIZE 64 //块个数
//定义char型数组,每个char变量占用8位,长度为8,共64位
char bitmap[MEM_SIZE/8];
随机填充的代码如下:
#include "time.h"
…
srand(time(NULL));
for(i=0;i<MEM_SIZE/8;i++)
…bitmap[i]=(char)rand();
随机填充后的位示图可能的值如图2-1所示。该位示图表示内存的2(0字节第2位)、3(0字节第3位)、6(0字节第6位)、8(1字节第0位)、9(1字节第1位)、12(1字节第4位)、15(1字节第7位)…等块没有被占用。
图2-1 具有随机值的位示图示例
2. 在实验1基础上扩充PCB,添加进程大小和页表:
struct PCB{
…
int size;
int* page_table;
}
创建进程时输入进程大小,并根据程序中设定的页面大小为进程分配页表空间,并分配物理块。例如,在上图基础上,若要建立一个大小为5000字节的进程,则
- 计算该进程共有“向上取整(5000/1024)=5”个页,需要占用5个内存块;
- 建立空的页表,即长度为5的一维整数数组;
- 从位示图中找出前5个“0”位在整个位示图中的位置号(即内存中的空闲块块号)(若第i字节第j位为0,则该位在位示图中的位置为8*i+j),并将这些位置号依次填入页表中,同时把对应的“0”改为“1”,以示对应内存块已经分配。
tmp=(struct PCB *)malloc(sizeof(struct PCB));//所创建进程的PCB
tmp->size=size;//进程大小
//计算出块个数
block_count=(int)ceil(tmp->size/(double)BLOCK_SIZE); //分配页表
tmp->page_table=(int *)malloc(sizeof(int)*block_count);
在位示图中判断某字节b的第bit_no位是1还是0代码如下:
int getbit(char b,int bit_no){
//将00000001左移bit_no位,得到如00010000值
char mask=(char)1<<bit_no;
if(b&mask) //进行与操作后结果不为0,则第bit_no位一定是1
return 1;
else//进行与操作后结果为0,则第bit_no位一定是0
return 0;
}
设置位示图的某字节b的第bit_no位为1或0代码如下:
void setbit(char *b,int bit_no,int flag){
char mask=(char)1<<bit_no;//得到如00010000值
if(flag)//flag为真,表示将第bit_no位设置为1
*b=*b|mask;//进行或操作,对应位变成1
else{//flag为假,表示将第bit_no位设置为0
mask=~mask;//取反,得到如11101111值
*b=*b&mask;//进行与操作,对应位变成0
}
}
3. 输入当前执行进程所要访问的逻辑地址,并将其转换成相应的物理地址:
(1)首先编写根据页面大小得到逻辑地址中页号和页内地址分界值(如页面大小为1024,则分界值为log21024=10)
int mylog2(int size){//size为页面大小
return (int)ceil((log10(size)/log10(2)));
}
(2)根据输入的逻辑地址la,计算其页号和页内地址:
int la,pageno,offset,mask;
printf("逻辑地址:(<0退出)");
scanf("%d",&la);
//将逻辑地址右移若干位,得到页号
pageno=la>>mylog2(BLOCK_SIZE);
//将1111…111左移若干位,得到11…11000..00
mask=(0xffffffff)<<mylog2(BLOCK_SIZE);
//将11…11000..00取反,得到00…00111..11
mask=~mask;
//将逻辑地址与mask进行与操作,得到页内地址
offset=la&mask;
- 进程退出时,根据其页表内容将位示图对应位置的“1”回填为“0”。
- 扩充页表,将其变成支持请求和置换功能的二维页表(增加存在位等)。创建进程时可装入固定的前三页(或键盘输入初始装入页数,不同进程的装入个数可以不同),其余页装入到置换空间内(置换空间大小应为内存空间大小的1.5-2倍,对其还需建立独立的置换空间位示图)。
- 分别采用FIFO或LRU置换算法对地址转换过程中可能遇到的缺页现象进行页面置换。可将多次地址转换过程中所涉及到的页号视为进程的页面访问序列,从而计算置换次数和缺页率。以下是某次地址变换过程中的交互示例(红色为用户输入,蓝色为程序提示):
逻辑地址:3072
是否为写指令(Y/N):Y
逻辑地址3072对应的页号为:3,页内偏移地址为:0
3号页不在内存,外存块号为12,需置换…
利用FIFO算法选中内存1号页,该页内存块号为6,修改位为1,外存块号为10
将内存6号块内容写入外存10号块,成功
将外存12号块内容调入内存6号块中,置换完毕
逻辑地址3072对应的物理地址为6144
2.4数据结构
结构体、链表、一维数组
2.5算法设计及流程图
2.6 运行截图
2.7 小结
功能基本实现,调试成功,没警告,没错误。
通过实验更加了解了页面置换算法的基本流程,能够解决相关问题
2.8代码
#include<iostream> #include<stdio.h> #include<math.h> #include<string.h> #include<time.h> #include<stdlib.h> #define block_size 1024//块大小 #define mem_size 64//内存大小 #define swapspace_size 128//置换空间大小 #define lode_count 3//进程最多装入页数 #define maxsize 10//最大页表空间 int bitmap[64]; int swapbitmap[128]; using namespace std; typedef struct Page_table//页表 { int pageno,blockno,swapspaceno;//页号,块号,置换块号 int exists;//存在位, }page_table[maxsize]; typedef struct PCB { int name; int sizes; //进程大小 page_table pt;//一个进程的页表 int length;//当前页表个数 int fifo[3],lru[3],opt[3]; int optlist[maxsize]; int fifon,lrun,listn;//fifo,lru中页面的个数 double absent1,absent2,absent3; double visit1,visit2; struct PCB *next; }PCB,*PCBlist; PCBlist running; void createbitmap()//创建位视图 { int i; srand(time(NULL)); for(i=0;i<mem_size;i++) bitmap[i]=(rand()%2); for(i=0;i<swapspace_size;i++) swapbitmap[i]=(rand()%2); } void showbitmap()//显示位视图 { cout<<"位示图"<<endl; int i; for(i=0;i<mem_size;i++) { cout<<bitmap[i]; if((i+1)%8==0) cout<<endl; } cout<<"置换空间位示图"<<endl; for(i=0;i<swapspace_size;i++) { cout<<swapbitmap[i]; if((i+1)%16==0) cout<<endl; } } void initpagetable(PCBlist &s)//初始化页表 { PCBlist p; p=s->next; int i,j; for(i=0;i<maxsize;i++) { p->pt[i].pageno=-1; p->pt[i].blockno=-1; p->pt[i].swapspaceno=-1; p->pt[i].exists=0; } for(j=0;j<lode_count;j++) { p->fifo[j]=-1; p->lru[j]=-1; p->opt[j]=-1; } } void createpage(PCBlist &s)//创建页表 { PCBlist p; p=s->next; int m; int i,j=0,k=0,t=0; m= (int)ceil((double)p->sizes/(double)block_size); p->length=m; p->listn=p->fifon=p->lrun=0; p->absent1=p->absent2=p->absent3=0; p->visit1=p->visit2=0; if(m<=lode_count) { for(i=0;i<m;i++)//内存,页表 赋值 { while((bitmap[j]!=0))//找位示图中的空闲内存 { j++; } bitmap[j]=1; p->pt[i].pageno=i; p->pt[i].blockno=j;//j记录位置 p->pt[i].exists=1; } cout<<"该进程的页表如下:"<<endl; cout<<"页号\t\t块号\t\t存在位\t\t置换块号"<<endl; for(i=0;i<m;i++)//页表显示 { cout<<p->pt[i].pageno<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].blockno<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].exists<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].swapspaceno; cout<<endl; } } else { for(i=0;i<lode_count;i++) { while(bitmap[k]!=0)//找位示图中的空闲内存 { k++; } bitmap[k]=1;//修改位示图 p->pt[i].pageno=i; p->pt[i].blockno=k; p->pt[i].exists=1; } cout<<"该进程的页表如下:"<<endl; cout<<"页号\t\t块号\t\t存在位\t\t置换块号"<<endl; for(i=0;i<lode_count;i++) { cout<<p->pt[i].pageno<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].blockno<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].exists<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].swapspaceno; cout<<endl; } for(i=lode_count;i<m;i++)//将不在内存的页存放在置换空间内 { while(swapbitmap[t]!=0)//t是外存块号,i是页号 { t++; } swapbitmap[t]=1; p->pt[i].swapspaceno=t; p->pt[i].pageno=i; } cout<<"该进程在置换空间的页表如下:"<<endl; cout<<"页号\t\t块号\t\t存在位\t\t置换块号"<<endl; for(i=lode_count;i<m;i++) { cout<<p->pt[i].pageno<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].blockno<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].exists<<'\t'<<'\t'; cout<<p->pt[i].swapspaceno; cout<<endl; } } } void operateadress(PCBlist s)//计算物理地址 { PCBlist p; p=s->next; cout<<"输入逻辑地址"<<endl; int a,b,c,d; cin>>a; b=a/block_size;//计算页号 c=a%block_size;//计算页内偏移 d=p->length; if(b>d-1)//页号是否大于页表长度 cout<<"本次中断,发生越界错误\n"; else { if(b>=lode_count) { cout<<"不在内存中"<<endl; cout<<"地址为:"<<(p->pt[b].swapspaceno)*(block_size)+c<<'\t'<<"块号是 "<<p->pt[b].swapspaceno<<"号"<<'\t'<<'\t'<<"在第"<<(p->pt[b].swapspaceno)/8<<"行"<<'\t'<<"第"<<(p->pt[b].swapspaceno)%8<<"列"<<'\t'<<"偏移量为"<<c<<endl; } else { cout<<"在内存中"<<endl; cout<<"地址为:"<<(p->pt[b].blockno)*(block_size)+c<<'\t'<<"块号是"<<p->pt[b].blockno<<"号"<<'\t'<<'\t'<<"在第"<<(p->pt[b].blockno)/8<<"行"<<'\t'<<"第"<<(p->pt[b].blockno)%8<<"列"<<'\t'<<"偏移量为"<<c<<endl; } } } void pcbover(PCBlist s) { PCBlist p; p=s->next; cout<<"进程结束后的位示图"<<endl; int i,j; for(i=0;i<3;i++) { if(p->pt[i].blockno>=0) bitmap[p->pt[i].blockno]=0; } for(j=3;j<=p->length;j++) { if(p->pt[j].swapspaceno>=0) swapbitmap[p->pt[j].swapspaceno]=0; } showbitmap(); } int findplace(int x,PCBlist p)//查找页面在页表中的位置 { int i; for(i=0;i<=p->length;i++) if(p->pt[i].pageno==x) return i; return -1; } void FIFO(PCBlist s) { PCBlist p; p=s->next; int i,j,k,a,b,c,d,x,y,z,temp1,temp2; p->visit1++; cout<<"请输入逻辑地址"<<endl; cin>>a; b=a/block_size;//页号 /*for(c=0;c<=p->length;i++) if(p->pt[c].pageno==b) break;*/ c=findplace(b,p);//查找页号在页表中的位置 p->optlist[p->listn]=b;//将页面存在总的页面序列中,为opt做准备 p->listn++; if(a>p->sizes) cout<<"发生越界错误"<<endl; else { for(i=0;i<3;i++) if(b==p->fifo[i]) break; z=i; if(z!=3)//页面在队列中 { cout<<"不缺页"<<endl; for(i=0;i<3;i++) { if(p->fifo[i]!=-1) cout<<p->fifo[i]<<" "; } cout<<endl; } else { p->absent1++; if(p->fifon<3)//队列未满 { if(p->pt[c].exists==1)//所缺页面在内存中 { p->fifo[p->fifon]=p->pt[c].pageno; for(k=0;k<3;k++) { if(p->fifo[k]!=-1) cout<<p->fifo[k]<<" "; } (p->fifon)++; cout<<endl; } else { for(j=0;j<lode_count;j++)//寻找不在队列里的的页面作为要交换的页面; if( (p->pt[j].pageno!=p->fifo[0])&&(p->pt[j].pageno!=p->fifo[1])&&(p->pt[j].pageno!=p->fifo[3])) break; d=j; p->fifo[p->fifon]=p->pt[c].pageno; temp1=p->pt[d].pageno;//交换页号 p->pt[d].pageno=p->pt[c].pageno; p->pt[c].pageno=temp1; for(k=0;k<3;k++) { if(p->fifo[k]!=-1) cout<<p->fifo[k]<<" "; } (p->fifon)++; cout<<endl; cout<<"内存中没有此页面,从外存中调入的 "<<endl; } } else//队列已满 { if(p->pt[c].exists==1) { p->fifo[0]=p->fifo[1]; p->fifo[1]=p->fifo[2]; p->fifo[2]=p->pt[c].pageno; for(k=0;k<3;k++) { if(p->fifo[k]!=-1) cout<<p->fifo[k]<<" "; } cout<<endl; } else { x=p->fifo[0]; p->fifo[0]=p->fifo[1]; p->fifo[1]=p->fifo[2]; p->fifo[2]=p->pt[c].pageno; y=findplace(x,p); temp2=p->pt[y].pageno; p->pt[y].pageno=p->pt[c].pageno; p->pt[c].pageno=temp2; for(k=0;k<3;k++) { if(p->fifo[k]!=-1) cout<<p->fifo[k]<<" "; } cout<<endl; cout<<"内存中没有此页面,从外存中调入的 "<<endl; } } } } cout<<"置换次数为:"<<p->absent1<<"次 "<<" 缺页率为:"<<(p->absent1/p->visit1)*100<<"%"<<endl; } void LRU(PCBlist s) { PCBlist p; p=s->next; int i,j,k,a,b,c,d,x,y,z,m,temp1,temp2,temp3,l;//a输入的地址,l判断队列是否存在元素的下标 p->visit2++; cout<<"请输入逻辑地址"<<endl; cin>>a; b=a/block_size;//页号 c=findplace(b,p);//查找页号在页表中的位置 p->optlist[p->listn]=b;//将页面存在总的页面序列中,为opt做准备 p->listn++; if(a>=p->sizes) cout<<"发生越界错误"<<endl; else { for(l=0;l<3;l++)//lru队列是否存在此数 if(b==p->lru[l]) break; z=l;//cout<<z<<endl; if(z!=3)//页面在队列中 { cout<<"不缺页"<<endl; temp1=p->lru[z];//temp1为存在的那个元素 if(p->lrun<=2) { p->lru[z]=p->lru[p->lrun-1]; p->lru[p->lrun-1]=temp1; } else { for(m=z;m<3;m++) p->lru[m]=p->lru[m+1]; p->lru[2]=temp1; } for(i=0;i<3;i++) { if(p->lru[i]!=-1) cout<<p->lru[i]<<" "; } cout<<endl; } else//不再队列中 { p->absent2++;//置换次数+1; if(p->lrun<3)//队列未满 { if(p->pt[c].exists==1)//所缺页面在内存中 { p->lru[p->lrun]=p->pt[c].pageno; for(k=0;k<3;k++)//显示 { if(p->lru[k]!=-1) cout<<p->lru[k]<<" "; } (p->lrun)++; cout<<endl; } else//外存中 { for(j=0;j<lode_count;j++)//寻找队列中第一个空的物理快; if((p->pt[j].pageno!=p->lru[0])&&(p->pt[j].pageno!=p->lru[1])&&(p->pt[j].pageno!=p->lru[2])) break; d=j; p->lru[p->lrun]=p->pt[c].pageno; temp2=p->pt[d].pageno;//交换页号 p->pt[d].pageno=p->pt[c].pageno; p->pt[c].pageno=temp2; for(k=0;k<3;k++) { if(p->lru[k]!=-1) cout<<p->lru[k]<<" "; } (p->lrun)++; cout<<endl; cout<<"内存中没有此页面,从外存中调入的 "<<endl; } } else//队列满了 { if(p->pt[c].exists==1) { p->lru[0]=p->lru[1]; p->lru[1]=p->lru[2]; p->lru[2]=p->pt[c].pageno; for(k=0;k<3;k++) { if(p->lru[k]!=-1) cout<<p->lru[k]<<" "; } (p->lrun)++; cout<<endl; } else { x=p->lru[0]; p->lru[0]=p->lru[1]; p->lru[1]=p->lru[2]; p->lru[2]=p->pt[c].pageno; y=findplace(x,p); temp3=p->pt[y].pageno; p->pt[y].pageno=p->pt[c].pageno; p->pt[c].pageno=temp3; for(k=0;k<3;k++) { if(p->lru[k]!=-1) cout<<p->lru[k]<<" "; } (p->lrun)++; cout<<endl; cout<<"内存中没有此页面,从外存中调入的 "<<endl; } } } } cout<<"置换次数为:"<<p->absent2<<"次 "<<" 缺页率为:"<<(p->absent2/p->visit2)*100<<"%"<<endl; } void out(PCBlist p) { while(p->next!=NULL) { cout<<p->next->name<<" "; cout<<p->next->sizes<<" "; p=p->next; } cout<<"\n"; } void show(PCBlist p)//就绪状态和堵塞状态展示 { while(p->next) { cout<<p->next->name<<" "; p=p->next; } } void runshow(int m)//执行状态展示 { if(m==0) cout<<"没有正在执行的进程"<<endl; else cout<<m<<endl; } void add(PCBlist &l,int name,int sizes) { PCBlist p=l; PCBlist s=new PCB; s->name=name; s->sizes=sizes; s->next=NULL; if(p->next==NULL)//进程链为空添加节点 { p->next=s; } else { while(p->next!=NULL)//进程链不为空添加节点 { p=p->next; } p->next=s; } } void showall(PCBlist p1,PCBlist p2,int m)//进程状态显示 { cout<<"就绪状态为:"; show(p1); cout<<endl; cout<<"执行状态为:"; runshow(m); cout<<"阻塞状态为:"; show(p2); cout<<endl; } int main() { int n,number,c,m=0,j=0,sizes,temp;//m为正在执行的进程标号 n菜单选择 number进程名,sizes进程的大小 c唤醒进程 PCBlist ready=new PCB; ready->next=NULL; PCBlist blocked=new PCB; blocked->next=NULL; running=new PCB; running->next=NULL; PCBlist pa=ready,pb=blocked,pc=ready,pd=blocked; PCBlist p,q; while(true) { cout<<"欢迎来到我的页式存储管理系统"<<endl; cout<<"1-创建进程"<<endl; cout<<"2-时间片到"<<endl; cout<<"3-进程阻塞"<<endl; cout<<"4-唤醒进程"<<endl; cout<<"5-结束进程"<<endl; cout<<"6-创建位图"<<endl; cout<<"7-创建并显示进程的页表"<<endl; cout<<"8-显示位图"<<endl; cout<<"9-地址变换"<<endl; cout<<"10-LRU算法"<<endl; cout<<"11-FIFO算法"<<endl; cout<<"13-显示执行进程信息"<<endl; cout<<"0-退出"<<endl; cout<<"请根据功能输入序号"<<endl; cin>>n; switch(n) { case 1://创建进程 { cout<<"请输入进程名字(用0~9表示):"; cin>>number; cout<<"请输入进程大小:"; cin>>sizes; add(ready,number,sizes); if(m==0)//如果还没有正在执行的进程 { if(ready->next!=NULL)//就绪队列不为空 { add(running,ready->next->name,ready->next->sizes); temp=ready->next->name;//获取队头进程(就绪队列第一个元素) ready->next=ready->next->next;//将就绪状态变为执行状态 m=temp; } showall(ready,blocked,m); } else { showall(ready,blocked,m); } break; } case 2://时间片到 { if(m!=0) { add(ready,m,running->next->sizes);//将正在执行的进程添加到就绪状态中 m=0;running->next=NULL; if(ready->next!=NULL) { //running->next=ready->next; add(running,ready->next->name,ready->next->sizes); temp=ready->next->name; ready->next=ready->next->next; m=temp; }//将此时就绪队列的队头变为执行状态 showall(ready,blocked,m); } else { cout<<"没有正在进行的进程"<<endl; } break; } case 3://进程阻塞 { if(m==0) cout<<"没有正在进行的进程"<<endl; else { add(blocked,m,running->next->sizes);//将阻塞的进程添加到阻塞队列 m=0;running->next=NULL; if(ready->next!=NULL) { add(running,ready->next->name,ready->next->sizes); temp=ready->next->name; ready->next=ready->next->next; m=temp; }//将此时就绪队列的队头变为执行状态 showall(ready,blocked,m); } break; } case 4://唤醒进程 { if(blocked->next==NULL) cout<<"没有正在阻塞的进程"<<endl; else { cout<<"请输入要唤醒的进程"<<endl; cin>>c; while(pb->next->name!=c)//找到要唤醒的进程 pb=pb->next; add(ready,pb->next->name,pb->next->sizes);//将要唤醒的进程添加到就绪队列中 if(pb->next->next!=NULL) pb->next=pb->next->next; else pb->next=NULL; //showall(ready,blocked,m); } if(m==0)//如果没有正在执行的进程 { if(ready->next!=NULL) { add(running,ready->next->name,ready->next->sizes); temp=ready->next->name; m=temp; ready->next=ready->next->next; } showall(ready,blocked,m); } else{ showall(ready,blocked,m); } break; } case 5://结束进程 { pcbover(running); m=0;running->next=NULL; if(ready->next!=NULL) { add(running,ready->next->name,ready->next->sizes); //out(ready); temp=ready->next->name; ready->next=ready->next->next; m=temp; } showall(ready,blocked,m); break; } case 6:createbitmap();showbitmap();break; case 7: { initpagetable(running); p=running->next; if(p->pt[0].pageno!=-1) cout<<"页表已经创建"<<endl; else { initpagetable(running); createpage(running); break; } break; } case 8:showbitmap();break; case 9:operateadress(running);break; case 10:LRU(running);break; case 11:FIFO(running);break; case 13:out(running); break; case 0:exit(0); } } return 0; }
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题目描述:
一、实验目的
通过编写分页式存储管理的模拟程序,加深对页式存储管理方式的理解,熟悉逻辑地址到物理地址的转换过程,掌握虚拟存储管理中的页面调度算法,认识分页式虚拟存储系统中缺页中断的处理过程。
二、实验内容
1、设计一个分页式虚拟存储系统,用程序模拟实现,假设页面大小为1K,每个进程分配三个块。
2、页面调度分别采用FIFO调度算法和LRU算法(堆栈法)。(选中页面直接交换。)
3、假设当前作业的页表如下:
4、假设逻辑指令格式为:
操作符 页号1 页内地址1 页号2 页内地址2
例如 表示将页面1内地址为011单元的内容和页面2中地址为051的单元的内容相加,
如:(1011H)+(1200H)。
现有指令序列如下:
5、编写模拟程序,执行上述指令,若当前页面不在内存,则使用页面调度算法,交换相应页。
6、要求每执行上述指令流中的一条逻辑指令,输出相应的物理指令,若页表有修改,则显示修改后的页表。
FIFO结果
队列内容
LRU结果
栈内部内容:第三个为栈顶第一个为栈低
三、实验思路
(1)初始化:
①初始化页表:自定义页表项数据结构,所有页表项构成一个数组。页表项数据结构中包含所提供的页表信息。从文件中读取页表信息并写入该数组。
②初始化指令表:自定义指令数据结构,所有指令构成一个数组,该数组表示指令表。
指令数据结构中包含所提供的单条指令信息。从文件中读取指令表信息并写入该数组。
(2)FIFO算法:
该算法总是换出最先进入内存的页面,就是要选择当前在内存中驻留时间最久的页面换出。因此可以设置一个队列来保存当前进入内存的页面页号,表示当前内存分配情况。并给它们设置驻留时间。
根据题目给的页表信息,可以看出该进程所分配到的内存块已经存满了,存的是0,1,2号页。可以初始化当前内存分配情况队列,我这里按照这些页在页表中的逻辑地址将它们保存到队列中,即初始化队列为:0,1,2。并将它们的驻留时间设置为0。又因为每个进程分配到的内存块为3,所以用一个三行二列的二维数组来表示该队列,每一行的第一个元素保存页号,第二个元素保存对应的驻留时间。
我这里设置的FIFO函数只有一个参数,传入的是待查找的页码。因此该算法要完成以下功能:
①判断该页是否在内存中,由serach_page()实现
②找出在内存中驻留时间最长的页面,由search_max()实现
③如果该页没有在内存中,在页表中查找该页的逻辑地址,在页表中找出驻留时间最长页面的逻辑地址交换两个页面的标志,磁盘地址,内存块号。并在队列中换出的页面位置上写入换入页面的信息,驻留时间设为0,其他的驻留时间+1。输出更新后的页表信息。
④将此时的队列信息写入队列信息总表以便程序运行完之后查看。
(这个总表队对应于上述示例图片的FIFO队列,表总共8行,对应4条指令的8个操作页面。所以说是每找一个页面就要写入一条队列信息。)
代码:void FIFO(int pnum) { if (!serach_page(pnum)) { int a, b, c; int max = serach_max(); for (int i = 0;i < 3;i++) { if (in_s[i][1] == max) { c = in_s[i][0]; break; } } for (int i = 0;i < 6;i++) { if (p[i].pnum == c) { a = i;break; } } for (int i = 0;i < 6;i++) { if (p[i].pnum == pnum) { b = i;break; } } p[a].flag = 0; p[b].flag = 1; p[a].add = p[b].add; p[b].add = -1; p[b].cnum = p[a].cnum; p[a].cnum = -1; int e; for (int i = 0;i < 3;i++) { if (in_s[i][0] == c) { e = i; break; } } in_s[e][0] = pnum; in_s[e][1] = 0; cout << "发生第" << ++cnumber << "次缺页,更新后的页表为:" << endl; display_p(); } int p = 0; for (int i = 0;i < 3;i++) in_FIFO[f][p++] = in_s[i][0]; f++; }
(3)LRU算法:
用一个特殊的栈来保存当前内存分配情况。当需要某一页且该页在内存中,就将该页从栈中取出,并压入栈顶。如果此时栈满,且需要的页面不在内存中,应该移出栈底页,将要换入的页面压入栈顶。因为这里涉及到不同于栈的操作,且调用的页要成为栈顶,所以可以用双向链表实现该栈,以便经常行的存取。
初始化栈,根据题意应该是0,1,2,其中0为栈底,2为栈顶。
同样,我这里设置的LRU函数也是只有一个参数,用来传入待查找的页码。因此该算法要完成以下功能:
①判断该页是否在内存中,由serach_page2实现。(与FIFO中不同的是这里从栈中查找)
②如果当前栈满,且发生缺页,将栈底元素移出栈,该元素即为换出页面的页码,并在页表中找到该换出和换入页面的逻辑位置,交换两页面的部分信息。输出更新后的页表信息。
③如果没有发生缺页,将该页从栈中移出,并压入栈顶。
④将此时的栈信息写入总栈内容表。
代码:void LRU(int pnum) { if (search_page2(pnum))//页面在主存中 { LRU_stack* q = p_stack->next; while (q)//找到该页所对应的链栈的位置 { if (q->pnum == pnum) break; q = q->next; } if (q->next == NULL) { q = p_stack->next; int k = 0; while (q) { in_LRU[f][k++] = q->pnum; q = q->next; } f++; } else { LRU_stack* d = p_stack->next; while (d->next)//找到栈顶指针 d = d->next; //在链栈中交换两个页面的位置,并不改变页表。 q->prew->next = q->next; q->next->prew = q->prew; q->prew = d; d->next = q; q->next = NULL; //将当前链栈信息写入LRU q = p_stack->next; int k = 0; while (q) { in_LRU[f][k++] = q->pnum; q = q->next; } f++; } } else//页面不在主存中 { int onum; int a, b;//分别保存 换出的页 和 换入的页 在页表中的相对位置 for (int i = 0;i < 6;i++)//找出换入页相对位置 { if (p[i].pnum == pnum) { b = i; break; } } onum = p_stack->next->pnum; for (int i = 0;i < 6;i++)//找出换出页相对位置 { if (p[i].pnum == onum) { a = i; break; } } //修改页表 p[a].flag = 0; p[b].flag = 1; p[a].add = p[b].add; p[b].add = -1; p[b].cnum = p[a].cnum; p[a].cnum = -1; cout << "发生第" << ++cnumber << "次缺页,更新后的页表为:" << endl; display_p(); LRU_stack* q = p_stack->next; LRU_stack* d = p_stack->next; while (d->next)//找到栈顶指针 d = d->next; q->prew->next = q->next; q->next->prew = q->prew; q->prew = d; d->next = q; q->next = NULL; q->pnum = pnum; q = p_stack->next; int k = 0; while (q) { in_LRU[f][k++] = q->pnum; q = q->next; } f++; } }
实验结果:
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模拟请求分页存储管理方式。
二、实验要求
1、模拟请求分页存储管理方式,采用最近最久未使用替换算法;
2、程序要添加适当的注释,程序的书写要采用缩进格式;
3、程序要具在一定的健壮性,即当输入数据非法时,程序也能适当地做出反应;
4、程序要做到界面友好,在程序运行时用户可以根据相应的提示信息进行操作。三、实验过程
1、设计思想
- 设内存大小为4MB,页面大小为4KB。
- 立进程:由用户输入进程大小,随机数分配给进程页框数;
- 请求访问:
[1] 由用户输入一个十进制的逻辑地址;
[2] 如果页面已装入内存,通过地址变换机构计算其物理地址即可;
[3] 如果页面未装入内存,查看分配的页框是否已经占满。若占满则使用最近最久未使用替换算法替换页面;若没有占满则直接将页面存入内存。 - 地址变换机构(十进制):
[1] 由用户输入一个十进制的逻辑地址A;
[2] 则页号为P=INT[A/L],页内地址为d=[A] MOD L,L为页面大小;
[3] 查询页表,找到页号对应的物理块号B,计算物理地址B×L+d。 - 最近最久未使用替换算法:
赋予每个页面一个访问字段,用于记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间t。当需要淘汰一个页面时,选择所有页面中t值最大的予以淘汰。
2、数据结构
1.定义一个pcb类,表示每一个进程,含有进程的编号、大小、页表等信息:
class PCB { private: unsigned size; //进程大小 unsigned page_item_num; //为进程分配的页框数 unsigned occu; //占用的页框数 unsigned length; //页表长度 vector<page_table_item> page_table; //页表 public: void init(unsigned ps); //初始化 void disp(); //显示页表信息 bool comp(unsigned a); //越界检查 unsigned trans(unsigned a, vector<unsigned>& s); //查询页表 void LRU(vector<page_table_item>::iterator p); //LRU置换算法 };
2.对于每一个页表项,建立类page_table_item,包含访问为、状态位等信息:
class page_table_item { public: page_table_item() { chunk_no = NULL; state = 0; visit = 0; } public: unsigned chunk_no; //物理块号 bool state; //状态位,1表示已调入内存 unsigned visit; //访问位 };
四、实验代码
pcb.h
#include<vector> using namespace std; class page_table_item { public: page_table_item() { chunk_no = NULL; state = 0; visit = 0; } public: unsigned chunk_no; //物理块号 bool state; //状态位,1表示已调入内存 unsigned visit; //访问位 }; class PCB { private: unsigned size; //进程大小 unsigned page_item_num; //为进程分配的页框数 unsigned occu; //占用的页框数 unsigned length; //页表长度 vector<page_table_item> page_table; //页表 public: void init(unsigned ps); //初始化 void disp(); //显示页表信息 bool comp(unsigned a); //越界检查 unsigned trans(unsigned a, vector<unsigned>& s); //查询页表 void LRU(vector<page_table_item>::iterator p); //LRU置换算法 };
pcb.cpp
#include"pcb.h" #include<ctime> #include<random> #include<cmath> #include<iostream> using namespace std; //初始化PCB void PCB::init(unsigned ps) { size = ps; uniform_int_distribution<unsigned> u(3, 5); default_random_engine e(time(0)); page_item_num = u(e); cout << "为进程分配的页框数为:" << page_item_num << endl; occu = 0; length = size / 4; if (size % 4 != 0) length++; for (unsigned i = 0; i < length; i++) { page_table.push_back(page_table_item()); } } //显示页表信息 void PCB::disp() { int no = 0; auto i = page_table.begin(); cout << "页号" << "\t" << "物理块号" << "\t" << "状态位" << "\t" << "访问字段" << "\t" << endl; while (i != page_table.end()) { if (i->state == 1) { cout << no << "\t" << i->chunk_no << "\t\t" << i->state << "\t" << i->visit << "\t\t" << endl; } no++; i++; } } //越界检查 bool PCB::comp(unsigned a) { if (a >= length || a < 0) return 1; else return 0; } //查询页表 unsigned PCB::trans(unsigned a, vector<unsigned>& s) { auto p = page_table.begin(); unsigned no,flag=0; uniform_int_distribution<unsigned> u(0, unsigned(pow(2, 10.0))); default_random_engine e(time(0)); for (unsigned i = 0; i < a; i++) { p++; } //页在内存中 if (p->state == 1) { return p->chunk_no; } //页不在内存中 if (occu < page_item_num) { p->state = 1; for (auto i = page_table.begin(); i != page_table.end(); i++) { i->visit++; } p->visit=0; no = u(e); while (!flag) { for (auto q = s.begin(); q != s.end(); q++) { if (*q == no) flag = 1; break; } if (!flag) { p->chunk_no = no; s.push_back(no); flag = 1; } else { no++; flag = 0; } } occu++; } else if (occu >= page_item_num) { LRU(p); } return p->chunk_no; } void PCB::LRU(vector<page_table_item>::iterator p) { auto q = page_table.begin(); while (q->state != 1) { q++; } auto index = q; while (q != page_table.end()) { if(q->visit>index->visit&&q->state==1){//找到访问值最大的 index = q; } q++; } p->state = 1; index->state = 0; p->chunk_no = index->chunk_no; index->chunk_no = NULL; for (auto i = page_table.begin(); i != page_table.end(); i++) { i->visit++; } p->visit = 0; }
exp7.cpp
#include"pcb.h" #include<iostream> #include<cmath> #include<string> using namespace std; //内存大小4MB,页面大小4KB //创建进程 bool create(PCB& p) { unsigned psize; cout << "请输入进程大小(KB):"; cin >> psize; p.init(psize); //初始化 return 0; } //地址转换机构 void addr_trans(PCB& pro, vector<unsigned>& s) { unsigned addr; unsigned page_no, offset; cout << "输入十进制地址:"; cin >> addr; page_no = unsigned(addr / 4096); //进行越界检查 while (pro.comp(page_no)) { cout << "地址越界,重新输入十进制地址:"; cin >> addr; page_no = unsigned(addr / 4096); } offset = unsigned(addr % 4096); //访问页表 cout << "物理地址为:" << pro.trans(page_no, s) * 4096 + offset << endl; } int main() { int choose = 0; PCB pro; vector<unsigned> s; //记录占用的物理块号 cout << "1.创建进程\n" << "2.显示进程页表\n" << "3.请求访问\n" << "4.退出" << endl; while (choose != 4) { cout << "\n请选择:"; cin >> choose; switch (choose) { case 1: if (create(pro)) cout << "创建失败!" << endl; else cout << "创建成功!" << endl; break; case 2: pro.disp(); break; case 3: addr_trans(pro, s); break; default: break; } } return 0; }
五、实验结果
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请求分页式存储管理的页面置换
2021-12-25 23:31:03在分页式虚拟存储管理中,要求通过键盘输入分配给一个作业的物理块数和作业依次访问的10个页面号,采用先进先出(FIFO)页面置换后,顺序输出缺页中断时所淘汰的页面号,并计算缺页中断率。 #include<cstdio> ... -
操作系统请求分页式存储管理
2008-11-27 10:07:15该程序采用C语言模拟操作系统对内存的请求分页式存储管理,程序代码较为简单。其中涉及到了三个算法:FIFO、LRU、OPT。其中OPT算法用于评价各个算法的优劣。当使用内存块为2kb、4kb时有一定的Bug,请读者自行优化。... -
Java模拟操作系统实现存储管理_基本分页存储管理方式的模拟与实现
2020-01-22 11:21:24存储器管理 1实验内容模拟请求页式存储管理中硬件的地址转换和缺页中断并用先进先出调度算法FIFO处理缺页中断 2要求 指令序列的设定可以执行拟定格式如表3 在完成了FIFO换页策略后可以选做LRU的换页策略并进行比较 ... -
操作系统实验(四):c实现分页式存储管理地址转换和缺页中断
2022-06-14 21:20:27操作系统实验(四):c实现分页式存储管理地址转换和缺页中断 -
操作系统 请求分页式存储管理(FIFO、LRU)
2021-07-16 13:58:41操作系统 请求分页式存储管理 实验要求 通过编写分页式存储管理的模拟程序,加深对页式存储管理方式的理解,熟悉逻辑地址到物理地址的转换过程,掌握虚拟存储管理中的页面调度算法,认识分页式虚拟存储系统中缺页... -
操作系统 实验 模拟分页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断
2010-11-09 23:14:16模拟分页式虚拟存储管理中硬件的地址转换和缺页中断,以及用先进先出(FIFO)页面调度算法处理缺页中断。 用高级语言编写和调试一个简单的文件系统,模拟文件管理的工作过程。(题目四) 包含详细实验报告· -
操作系统大报告——存储管理实验报告+包含程序源程序(实现请求式分页管理)+数百字个人心得+程序运行截图
2022-06-13 21:56:59通过本次实验,要求学生通过编写和调试请求页式的内存分配和回收、进程的地址转换过程的模拟程序以加强对地址转换过程的了解,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... -
基本段式存储管理的模拟实现
2018-12-06 10:34:46根据进程的要求按照段式存储管理方式模拟内存空间的分配与回收,并能够根据进程的空间分配情况完成地址映射。简单界面显示内存情况!供参考。 -
请求页式存储管理中页面置换算法的java实现
2021-04-28 09:43:32cmdList = new ArrayList();public static void main(String[] args) {Page page0 = new Page(0, 1, 5, 0, "011");Page page1 = new Page(1, 1, 8, 0, "012");Page page2 = new Page(2, 1, 9, 0, "013");...