综合性实验报告一、实验目的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。
页面置换算法是虚拟存储管理实现的关键，通过本次实验理解内存页面调度的机制，在模拟实现FIFO、LRU、OPT、LFU、NUR几种经典页面置换算法的基础上，比较各种置换算法的效率及优缺点，从而了解虚拟存储实现的过程。
二、总体设计1、编写函数计算并输出下述各种算法的命中率①OPT页面置换算法OPT所选择被淘汰的页面是已调入内存，且在以后永不使用的，或是在最长时间内不再被访问的页面。
因此如何找出这样的页面是该算法的关键。
可为每个页面设置一个步长变量，其初值为一足够大的数，对于不在内存的页面，将其值重置为零，对于位于内存的页面，其值重置为当前访问页面与之后首次出现该页面时两者之间的距离，因此该值越大表示该页是在最长时间内不再被访问的页面，可以选择其作为换出页面。
②FIFO页面置换算法FIFO总是选择最先进入内存的页面予以淘汰，因此可设置一个先进先出的忙页帧队列，新调入内存的页面挂在该队列的尾部，而当无空闲页帧时，可从该队列首部取下一个页帧作为空闲页帧，进而调入所需页面。
③LRU页面置换算法LRU是根据页面调入内存后的使用情况进行决策的，它利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。
该算法主要借助于页面结构中的访问时间time来实现，time记录了一个页面上次的访问时间，因此，当须淘汰一个页面时，选择处于内存的页面中其time值最小的页面，即最近最久未使用的页面予以淘汰。
④LFU页面置换算法LFU要求为每个页面配置一个计数器（即页面结构中的counter），一旦某页被访问，则将其计数器的值加1，在需要选择一页置换时，则将选择其计数器值最小的页面，即内存中访问次数最少的页面进行淘汰。
⑤NUR页面置换算法NUR要求为每个页面设置一位访问位（该访问位仍可使用页面结构中的counter表示），当某页被访问时，其访问位counter置为1。
需要进行页面置换时，置换算法从替换指针开始（初始时指向第一个页面）顺序检查处于内存中的各个页面，如果其访问位为0，就选择该页换出，否则替换指针下移继续向下查找。
如果内存中的所有页面扫描完毕未找到访问位为0的页面，则将替换指针重新指向第一个页面，同时将内存中所有页面的访问位置0，当开始下一轮扫描时，便一定能找到counter为0的页面。
2、在主函数中生成要求的指令序列，并将其转换成页地址流；在不同的内存容量下调用上述函数使其计算并输出相应的命中率。
三、实验步骤（包括主要步骤、代码分析等）主要步骤：、通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。
其地址按下述原则生成：①50%的指令是顺序执行的；②25%的指令是均匀分布在前地址部分；③25%的指令是均匀分布在后地址部分；具体的实施方法是：A.在[0，319]的指令地址之间随机选区一起点M；B.顺序执行一条指令，即执行地址为M+1的指令；C.在前地址[0，M+1]中随机选取一条指令并执行，该指令的地址为M’；D.顺序执行一条指令，其地址为M’+1；E.在后地址[M’+2，319]中随机选取一条指令并执行；F.重复A—E，直到执行320次指令。
2、指令序列变换成页地址流，设：①页面大小为1K；②用户内存容量为4页到32页；③用户虚存容量为32K。
在用户虚存中，按每页存放10条指令排列虚存地址，即320条指令在虚存中的存放方式为：第0条～第9条指令为第0页（对应虚存地址为[0，9]）；第10条～第19条指令为第1页（对应虚存地址为[10，19]）；…………第310条～第319条指令为第31页（对应虚存地址为[310，319]）；按以上方式，用户指令可组成32页。
3、计算并输出下述各种算法(可任选两个)在不同内存容量下的命中率。
A. FIFO先进先出置换算法；B. LRU最近最久未使用置换算法；C. OPT最佳置换算法：先淘汰最不常用的页地址；D. NUR最近未使用置换算法；E. LFU最少使用置换算法。
命中率=1-页面失效次数/页地址流长度在本实验中，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。
代码分析：1、主函数main.cpp的代码：#include <iostream>#include <string>#include <vector>#include <cstdlib>#include <cstdio>#include <unistd.h>using namespace std;#define INVALID -1const int TOTAL_INSTRUCTION(320);const int TOTAL_VP(32);const int CLEAR_PERIOD(50);#include "Page.h"#include "PageControl.h"#include "Memory.h"int main(){int i;CMemory a;for(i=4;i<=32;i++){cout<<i<<" page frames \t";a.OPT(i);a.FIFO(i);a.LRU(i);cout<<"\n";}return 0;}2、主函数中用到的头文件”Page.h”,”PageControl.h”,”Memory.h”的代码：Page.h:#ifndef _PAGE_H#define _PAGE_Hclass CPage//页面结构{public:int m_nPageNumber,//页面号m_nPageFaceNumber,//页帧号m_nCounter,//一个周期内访问该页面的次数m_nTime;//访问时间};#endifPageControl.h:#ifndef _PAGECONTROL_H#define _PAGECONTROL_Hclass CPageControl//页帧控制结构{public:int m_nPageNumber,m_nPageFaceNumber;class CPageControl * m_pNext;};#endifMemory.h:#ifndef _MEMORY_H#define _MEMORY_Hclass CMemory{public:CMemory();void initialize(const int nTotal_pf);void OPT(const int nTotal_pf);void FIFO(const int nTotal_pf);void LRU(const int nTotal_pf);private:vector<CPage> _vDiscPages;vector<CPageControl> _vMemoryPages;CPageControl *_pFreepf_head,*_pBusypf_head,*_pBusypf_tail;vector<int> _vMain,_vPage,_vOffset;int _nDiseffect;};CMemory::CMemory():_vDiscPages(TOTAL_VP),_vMemoryPages(TOTAL_VP),_vMain(TOTAL_INSTRUCTION),_vPage(TOTAL_INSTRUCTION),_vOffset(TOTAL_INSTRUCTION){int S,i,nRand;srand(getpid()*10);nRand=rand()%32767;S=(float)319*nRand/32767+1;for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i+=4){_vMain[i]=S;_vMain[i+1]=_vMain[i]+1;nRand=rand()%32767;_vMain[i+2]=(float)_vMain[i]*nRand/32767;_vMain[i+3]=_vMain[i+2]+1;nRand=rand()%32767;S=(float)nRand *(318-_vMain[i+2])/32767+_vMain[i+2]+2;}for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++){_vPage[i]=_vMain[i]/10;_vOffset[i]=_vMain[i]%10;_vPage[i]%=32;}}void CMemory::initialize(const int nTotal_pf){int ix;_nDiseffect=0;for(ix=0;ix<_vDiscPages.size();ix++){_vDiscPages[ix].m_nPageNumber=ix;_vDiscPages[ix].m_nPageFaceNumber=INVALID;_vDiscPages[ix].m_nCounter=0;_vDiscPages[ix].m_nTime=-1;}for(ix=1;ix<nTotal_pf;ix++){_vMemoryPages[ix-1].m_pNext=&_vMemoryPages[ix];_vMemoryPages[ix-1].m_nPageFaceNumber=ix-1;}_vMemoryPages[nTotal_pf-1].m_pNext=NULL;_vMemoryPages[nTotal_pf-1].m_nPageFaceNumber=nTotal_pf-1;_pFreepf_head=&_vMemoryPages[0];}void CMemory::OPT(const int nTotal_pf) /* 最佳页面置换算法 */ {int i,j,max,maxpage,d,dist[TOTAL_VP];initialize(nTotal_pf);for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++){if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID) /*页面失效*/{_nDiseffect++;if(_pFreepf_head==NULL) /*无空闲页面*/{for(j=0;j<TOTAL_VP;j++){if(_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber!=INVALID)//所有位于内存页面的距离变量赋一足够大的数dist[j]=32767;else //不在内存的页面该变量则置为0dist[j]=0;}d=1;/* 对于位于内存且在当前访问页面之后将再次被访问的页面，dist重置为当前页面与之后首次出现该页面时两者之间的距离 */for(j=i+1;j<TOTAL_INSTRUCTION;j++){if(_vDiscPages[_vPage[j]].m_nPageFaceNumber!=INVALID && dist[_vPage[j]]==32767)dist[_vPage[j]]=d;d++;}max=-1;//查找dist变量值最大的页面作为换出页面for(j=0;j<TOTAL_VP;j++){if(max<dist[j]){max=dist[j];maxpage=j;}}_pFreepf_head=&_vMemoryPages[_vDiscPages[maxpage].m_nPageFaceNumb er]; //腾出一个单元_pFreepf_head->m_pNext=NULL;_vDiscPages[maxpage].m_nPageFaceNumber=INVALID;}_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFa ceNumber; //有空闲页面,改为有效_pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext; //减少一个free 页面}}cout<<"OPT: "<<1-(float)_nDiseffect/320;//printf("OPT:%6.4f ",1-(float)diseffect/320);}void CMemory::FIFO(const int nTotal_pf){int i;CPageControl *p;initialize(nTotal_pf);_pBusypf_head=_pBusypf_tail=NULL;for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++){if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID){_nDiseffect+=1;if(_pFreepf_head==NULL) //无空闲页面{p=_pBusypf_head->m_pNext;_vDiscPages[_pBusypf_head->m_nPageNumber].m_nPageFaceNumber=INVALID;_pFreepf_head=_pBusypf_head;_pFreepf_head->m_pNext=NULL;_pBusypf_head=p;}p=_pFreepf_head->m_pNext;_pFreepf_head->m_pNext=NULL;_pFreepf_head->m_nPageNumber=_vPage[i];_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFaceNu mber;if(_pBusypf_tail==NULL)_pBusypf_head=_pBusypf_tail=_pFreepf_head;else{_pBusypf_tail->m_pNext=_pFreepf_head;_pBusypf_tail=_pFreepf_head;}_pFreepf_head=p;}}cout<<"\tFIFO: "<<1-(float)_nDiseffect/320;}void CMemory::LRU(const int nTotal_pf){int i,j,nMin,minj,nPresentTime(0);initialize(nTotal_pf);for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++){if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID) {_nDiseffect++;if(_pFreepf_head==NULL){nMin=32767;for(j=0;j<TOTAL_VP;j++) //get the subscribe of the least used page//after the recycle iMin is the number of times//used of the least used page while minj is its subscribeif(nMin>_vDiscPages[j].m_nTime&&_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber! =INVALID){nMin=_vDiscPages[j].m_nTime;minj=j;}_pFreepf_head=&_vMemoryPages[_vDiscPages[minj].m_nPageFaceNumber];_vDiscPages[minj].m_nPageFaceNumber=INVALID;_vDiscPages[minj].m_nTime=-1;_pFreepf_head->m_pNext=NULL;}_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber=_pFreepf_head->m_nPageFaceNu mber;_vDiscPages[_vPage[i]].m_nTime=nPresentTime;_pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext;}else_vDiscPages[_vPage[i]].m_nTime=nPresentTime;nPresentTime++;}cout<<"\tLRU: "<<1-(float)_nDiseffect/320;}#endif四、结果分析与总结实验运行结果，如图：总结：从上述结果可知，随着内存页面数的增加，三种算法的访问命中率逐渐增大。