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：
●50%的指令是顺序执行的；
●25%的指令是均匀分布在前地址部分。
●25%的指令是均匀分布在后地址部分。
2)将指令序列变换成页地址流
●页面大小= 10条指令
●4页<=用户内存容量<=32页；
●用户虚存容量= 32页；
●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。
●先进先出的算法（FIFO）；
●最近最少使用算法（LRU）；
●最佳淘汰算法（OPT）；
●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 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，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。
◆const int MAX_OP_NUM：操作页面最大数，默认320
◆const int MAX_MEMORY_PAGE：用户内存存储物理块数最大值，默认32
◆int Page_OP[MAX_OP_NUM]：访问页面序列，随机生成
◆double Miss：每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存的次数
◆double Total：页面置换次数
◆int TMAX_MEMEORY_PAGE：用户内存存储物理块数
◆bool isEmpty：内存是否占满
2)先进先出的算法（FIFO）：
◆queue<int> q：内存存储队列，先进先出
3)最近最少使用算法（LRU）：
◆struct Lpage：
◆Lpage lPage[MAX_MEMORY_PAGE]：FIFO LRU进程页面
◆priority_queue<Lpage> q：内存存储优先队列，最近使用次数大者优先级高
◆queue<Lpage> 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）：
◆struct Opage：
◆Opage oPage[MAX_MEMORY_PAGE]：OPT进程页面
◆priority_queue<Opage> q：内存存储优先队列，CPU使用间隔大者优先级高
◆queue<Opage> 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：
◆int main()：Main函数菜单界面
◆void Initial(int n)：用于初始化各算法参数的函数
◆void Output(int n)：控制输出函数
2)最近最少使用算法（LRU）：
◆void alterLateUse(priority_queue<Lpage>&q, int Pos)：
LRU中用于修改内存中页面最近使用时间
3)最佳淘汰算法（OPT）：
◆alterDist(priority_queue<Opage>&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：
◆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；
◆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：
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；
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，
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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》
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