Linux——页面置换算法（OPT、FIFO、LRU的实现与比较）

news/2024/4/27 1:35:33/文章来源:https://blog.csdn.net/x20020402/article/details/127627933

1、实验题目

2、实验要求

（1）指令的地址按下述原则生成

（2）具体的实施方法

（3）将指令序列变换为页地址流

3、算法实现参考代码：

4、运行结果

5、算法比较

1、实验题目

设计一个虚拟存储区和内存工作区，并使用下述算法计算访问命中率。

1、最佳淘汰算法（OPT）

2、先进先出的算法（FIFO）

3、最近最久未使用算法（LRU）

4、最不经常使用算法（LFU）

5、最近未使用算法（NUR）

命中率＝１－（页面失效次数／页地址流长度）

2、实验要求

本实验的程序设计首先用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。

（1）指令的地址按下述原则生成

通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。

A：50%的指令是顺序执行的

B：25%的指令是均匀分布在前地址部分

C：25%的指令是均匀分布在后地址部分

（2）具体的实施方法

A：在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点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：重复步骤A-E，直到320次指令

（3）将指令序列变换为页地址流

设：页面大小为1K；

用户内存容量4页到32页；

用户虚存容量为32K。

在用户虚存中，按每K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、算法实现参考代码：

#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
#define NULL  0#define  total_instruction  320     /*指令流长*/
#define  total_vp  32               /*虚页长*/
#define  clear_period  50           /*清0周期*/#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>typedef struct                      /*页面结构*/
{int pn,pfn,counter,time;
}pl_type;
pl_type pl[total_vp];               /*页面结构数组*/struct pfc_struct{                  /*页面控制结构*/int pn,pfn;struct pfc_struct *next;
};typedef struct pfc_struct pfc_type;pfc_type pfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;int diseffect,  a[total_instruction];
int page[total_instruction],  offset[total_instruction];int  initialize(int);
int  FIFO(int);
int  LRU(int);
int  OPT(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;  //
for(i=0;i<total_instruction;i+=4) /*产生指令队列*/
{if(s<0||s>319){printf("When i==%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( )/32767/32767/2; /*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;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*/
{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 page frames---\n",i);FIFO(i);LRU(i);OPT(i);}return 0;
}int initialize(int total_pf)  //初始化相关数据结构, int total_pf用户进程的内存页面数
{	int i;
diseffect=0;
for(i=0;i<total_vp;i++)
{pl[i].pn=i;pl[i].pfn=INVALID;        /*置页面控制结构中的页号，页面为空*/pl[i].counter=0;pl[i].time=-1;         /*页面控制结构中的访问次数为0，时间为-1*/
}
for(i=0;i<total_pf-1;i++)
{pfc[i].next=&pfc[i+1];pfc[i].pfn=i;
}   /*建立pfc[i-1]和pfc[i]之间的链接*/
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;
}int FIFO(int total_pf)              /*先进先出算法*/
{int i,j;pfc_type *p;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*/{diseffect+=1;                  /*失效次数*/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;busypf_head=p;}p=freepf_head->next;         /*按FIFO方式调新页面入内存页面*/freepf_head->next=NULL;freepf_head->pn=page[i];pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;if(busypf_tail==NULL)busypf_head=busypf_tail=freepf_head;else{busypf_tail->next=freepf_head;  /*free页面减少一个*/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*/
{int min,minj,i,j,present_time;initialize(total_pf);present_time=0;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;for(j=0;j<total_vp;j++)            /*找出time的最小值*/if(min>pl[j].time&&pl[j].pfn!=INVALID){min=pl[j].time;minj=j;}freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn];   //腾出一个单元pl[minj].pfn=INVALID;pl[minj].time=-1;freepf_head->next=NULL;}pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;   //有空闲页面,改为有效pl[page[i]].time=present_time;freepf_head=freepf_head->next;      //减少一个free 页面}elsepl[page[i]].time=present_time;        //命中则增加该单元的访问次数present_time++;}
printf("LRU:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}int OPT(int total_pf)       /*最佳置换算法*/
{int i,j, max,maxpage,d,dist[total_vp];
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{ //printf("In OPT for 1,i=%d\n",i);  //i=86;i=176;206;250;220,221;192,193,194;258;274,275,276,277,278;if(pl[page[i]].pfn==INVALID)      /*页面失效*/{diseffect++;if(freepf_head==NULL)         /*无空闲页面*/{for(j=0;j<total_vp;j++)if(pl[j].pfn!=INVALID) dist[j]=32767;  /* 最大"距离" */else dist[j]=0;d=1;for(j=i+1;j<total_instruction;j++){if(pl[page[j]].pfn!=INVALID)dist[page[j]]=d;d++;}max=-1;for(j=0;j<total_vp;j++)if(max<dist[j]){max=dist[j];maxpage=j;}freepf_head=&pfc[pl[maxpage].pfn];freepf_head->next=NULL;pl[maxpage].pfn=INVALID;}pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;freepf_head=freepf_head->next;}
}
printf("OPT:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);return 0;
}