计算机与信息技术学院综合性实验报告一、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。
二、实验仪器或设备微型计算机、Linux操作系统、dev C++三、总体设计1、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、计算并输出下述算法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. NUR最近未使用置换算法。
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。
4、相关定义(1)数据结构○1页面类型typedef struct /*页面结构*/{int pn,pfn,time;}pl_type;其中pn为页面号，pfn为页帧号，time为访问时间○2页帧控制结构struct pfc_struct{ /*页帧控制结构*/int pn,pfn;struct pfc_struct *next;};typedef struct pfc_struct pfc_type;pfc_type pfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;其中pfc_type pfc[total_vp]定义用户进程虚页控制结构*freepf_head为空闲页帧头的指针*busypf_head为忙页帧头的指针*busypf_tail忙页帧尾的指针(2)函数定义void initialize(int):初始化函数void FIFO(int):计算使用FIFO算法时的命中率void LRU(int):计算使用LRU算法时的命中率void NRU(int):计算使用NRU算法时的命中率(3)变量定义int a[total_instruction]:指令流数组int diseffect:页面失效次数int page[total_instruction]:每条指令所属页面号int offset[total_instruction]:每页装入10条指令后取模运算得出的页内偏移地址int total_pf:用户进程的内存页面数四、实验步骤按照流程图编写代码、并上机调试运行程序代码：#include <stdlib.h>#include <stio.h>#define TRUE 1#define FALSE 0#define INVALID -1#define total_instruction 320 /*指令流长*/#define total_vp 32 /*虚页长*/typedef struct /*页面结构*/{int pn,pfn,time;}pl_type;pl_type pl[total_vp]; /*页帧结构数组*/struct pfc_struct{ /*页帧控制结构*/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];void initialize(int);void FIFO(int);void LRU(int);void NRU(int);int main( ){int s,i;/*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”*/ srand(10*getpid());s=(float)319*rand( )/RAND_MAX+1;for(i=0;i<total_instruction;i+=4) /*产生指令队列*/{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( )/RAND_MAX; /*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( )/RAND_MAX+a[i+2]+2;}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个页帧到32个页帧*/{printf("%2d page frames ",i);void FIFO(int);void LRU(int);void NRU(int);printf("\n");}}void initialize(int total_pf) /*初始化相关数据结构*/ {int i;diseffect=0;for(i=0;i<total_vp;i++){ pl[i].pn=i;pl[i].pfn=INVALID;pl[i].time=-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]*/ }void FIFO(int total_pf) /*先进先出算法*/int total_pf; /* 用户进程的内存页面数 */ { int i,j;pfc_type *p, *t;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(p1[page[i]].pfn= =INVALID） /* 页面失效 */{ disaffect+=1； /* 失效次数 */if（freep_headf= =NULL） /* 无空闲页面 */{ p=busypf_head->next;p1[busypf_head->pn].pfn=INVALID;freepf_head=busypf_head; /*释放忙页面队列中的第一个页面*/ 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];p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;if(busypf_tail= =NULL)busypf_head=busypf_tail=freepf_head;else{ busypf_tail->next=freepf_head;busypf_tail=freepf_head;}freepf_head=p;}}printf(“FIFO:%6.4f”,1-(float)disaffect/320);}void LRU (int total_pf) /*最近最久未使用算法*/int total_pf;{ int min,minj,i,j,present_time;initialize(total_pf);present_time=0;for(i=0;i<total_instruction;i++){ if(p1[page[i]].pfn= =INVALID) /* 页面失效 */ { disaffect++;if(freepf_head= =NULL) /* 无空闲页面 */ { min=32767;for(j=0;j<total_vp;j++)if(min>p1[j].time&&p1[j].pfn !=INVALID){ min=p1[j].time;minj=j;}freepf_head=&pfc[p1[minj].pfn];p1[minj].pfn=INVALID;p1[min].time=-1;freepf_head->next=NULL;}p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;p1[page[i]].time=present_time;freepf_head=freepf_head->next;}elsep1[page[i]].time=present_time;present_time++;}printf(“LRU:%6.4f”,1-(flaot)disaffect/320);}void NRU(int total_pf) /*最近未使用置换算法*/ int total_pf;{ int i,j,dp,cont_flag,old_dp;pfc_type *t;initialize(total_pf);dp=0;for(i=0;i<total_instruction;i++){ if(p1[page[i]].pfn= =INVALID) /* 页面失效 */ { diseffect++;if(freepf_head= =NULL) /* 无空闲页面 */ { cont_flag=TRUE;old_dp=dp;while(cont_flag)if(p1[dp].counter= =0 && p1[dp].pfn!=INVALID)cont_flag=FLASE;else{ dp++;if(dp= =total_vp)dp=0;if(dp= =old_dp)for(j=0;j<total_vp;j++)p1[j].counter=0;}freepf_head=&pfc[p1[dp].pfn];p1[dp].pfn=INVALID;freepf_head->next=NULL:}p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;freepf_head=freepf_head->next;}elsep1[page[i]].counter=1;if(i%clear_period= =0)for(j=0;j<total_vp;j++)p1[j].counter=0;}printf(“NUR:%6.4f”,1-(float)disaffect/320);}void OPT(total_pf)int total_pf;{ int i,j,max,maxpage,d,dist[total_vp];pfc_type *t;initialize(total_pf);for(i=0;i<total_instruction;i++){ if(p1[page[i]].pfn= =INVALID){ diseffect++;if(freepf_head= =NULL){ for(j=0;j<total_vp;j++)if(p1[j].pfn !=INVALID)dist[j]=32767;elsedist[j]=0;d=1;for(j=i+1;j<total_instruction;j++){ if(p1[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[p1[maxpage].pfn];freepf_head->next=NULL;p1[maxpage].pfn=INVALID;}p1[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;freepf_head=freepf_head->next;}}printf(“OPT:%6.4f”,1-(float)disaffect/320);}显示结果：4 page frames FIFO:0.4969 LRU:0.5000 NUR:0.50005 page frames FIFO:0.5188 LRU:0.5125 NUR:0.50626 page frames FIFO:0.5281 LRU:0.5188 NUR:0.53447 page frames FIFO:0.5406 LRU:0.5500 NUR:0.55628 page frames FIFO:0.5500 LRU:0.5719 NUR:0.55319 page frames FIFO:0.5625 LRU:0.5812 NUR:0.578110 page frames FIFO:0.5844 LRU:0.5969 NUR:0.596911 page frames FIFO:0.5938 LRU:0.6094 NUR:0.625012 page frames FIFO:0.6156 LRU:0.6281 NUR:0.659413 page frames FIFO:0.6375 LRU:0.6344 NUR:0.650014 page frames FIFO:0.6844 LRU:0.6625 NUR:0.650015 page frames FIFO:0.6844 LRU:0.6812 NUR:0.687516 page frames FIFO:0.7062 LRU:0.7062 NUR:0.709417 page frames FIFO:0.7094 LRU:0.7125 NUR:0.725018 page frames FIFO:0.7188 LRU:0.7281 NUR:0.734419 page frames FIFO:0.7281 LRU:0.7531 NUR:0.753120 page frames FIFO:0.7281 LRU:0.7656 NUR:0.759421 page frames FIFO:0.7812 LRU:0.7781 NUR:0.790622 page frames FIFO:0.7875 LRU:0.7937 NUR:0.812523 page frames FIFO:0.7960 LRU:0.8094 NUR:0.818724 page frames FIFO:0.8000 LRU:0.8219 NUR:0.821925 page frames FIFO:0.8344 LRU:0.8312 NUR:0.834426 page frames FIFO:0.8625 LRU:0.8438 NUR:0.859427 page frames FIFO:0.8625 LRU:0.8652 NUR:0.878128 page frames FIFO:0.8750 LRU:0.8656 NUR:0.881229 page frames FIFO:0.8844 LRU:0.8781 NUR:0.881230 page frames FIFO:0.8875 LRU:0.8875 NUR:0.890631 page frames FIFO:0.8875 LRU:0.8906 NUR:0.900032 page frames FIFO:0.9000 LRU:0.9000 NUR:0.9000五、结果分析与总结从上述结果可知，当内存页面数较少（4~5页面）时，5种算法的命中率差别不大，都是50%左右。
