操作系统实验五 虚拟存储器管理

操作系统实验实验报告虚拟内存一、实验目的本次操作系统实验的目的是深入理解虚拟内存的概念、原理和实现机制，通过实际操作和观察，掌握虚拟内存的相关技术，包括页面置换算法、内存分配策略等，并分析其对系统性能的影响。

二、实验环境操作系统：Windows 10 专业版开发工具：Visual Studio 2019编程语言：C+＋三、实验原理1、虚拟内存的概念虚拟内存是一种计算机系统内存管理技术，它使得应用程序认为自己拥有连续的可用内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，这些内存可能是被分散存储在物理内存和外部存储设备（如硬盘）中的。

虚拟内存通过将程序使用的内存地址映射到物理内存地址，实现了内存的按需分配和管理。

2、页面置换算法当物理内存不足时，操作系统需要选择一些页面（内存中的固定大小的块）换出到外部存储设备，以腾出空间给新的页面。

常见的页面置换算法有先进先出（FIFO）算法、最近最少使用（LRU）算法、时钟（Clock）算法等。

3、内存分配策略操作系统在分配内存时，需要考虑如何有效地利用有限的物理内存资源。

常见的内存分配策略有连续分配、分页分配和分段分配等。

四、实验内容与步骤1、实现简单的虚拟内存系统使用 C+＋编写一个简单的虚拟内存模拟程序，包括内存页面的管理、地址映射、页面置换等功能。

2、测试不同的页面置换算法在虚拟内存系统中，分别实现 FIFO、LRU 和 Clock 算法，并对相同的访问序列进行测试，比较它们的页面置换次数和缺页率。

3、分析内存分配策略的影响分别采用连续分配、分页分配和分段分配策略，对不同大小和类型的程序进行内存分配，观察系统的性能（如内存利用率、执行时间等）。

具体步骤如下：（1）定义内存页面的结构，包括页面号、标志位（是否在内存中、是否被修改等）等。

（2）实现地址映射函数，将虚拟地址转换为物理地址。

（3）编写页面置换算法的函数，根据不同的算法选择要置换的页面。

（4）创建测试用例，生成随机的访问序列，对不同的算法和分配策略进行测试。

实习五虚拟存储器实验报告一、实验目的本次虚拟存储器实验旨在深入理解计算机系统中虚拟存储器的工作原理和机制，通过实际操作和观察，掌握虚拟存储器的相关概念和技术，包括页式存储管理、地址转换、页面置换算法等。

同时，培养我们的实践能力和问题解决能力，为今后学习和工作中涉及到的计算机系统相关知识打下坚实的基础。

二、实验环境本次实验使用的操作系统为 Windows 10，开发工具为 Visual Studio 2019，编程语言为 C+＋。

三、实验原理1、虚拟存储器的概念虚拟存储器是一种利用硬盘等辅助存储器来扩充主存容量的技术。

它将程序和数据按照一定的页面大小划分，并在需要时将页面从硬盘调入主存，从而实现了使用有限的主存空间运行较大规模的程序。

2、页式存储管理页式存储管理将主存和辅存空间都划分为固定大小的页面。

程序的地址空间被分成若干页，主存也被分成相同大小的页框。

通过页表来记录页面和页框的对应关系，实现地址转换。

3、地址转换当 CPU 执行指令时，给出的是逻辑地址。

通过页表将逻辑地址转换为物理地址，才能在主存中访问相应的数据。

4、页面置换算法当主存空间不足时，需要选择一个页面换出到硬盘，以腾出空间调入新的页面。

常见的页面置换算法有先进先出（FIFO）算法、最近最少使用（LRU）算法等。

四、实验内容与步骤1、设计并实现一个简单的页式存储管理系统定义页面大小和主存、辅存的容量。

实现页表的数据结构，用于记录页面和页框的对应关系。

编写地址转换函数，将逻辑地址转换为物理地址。

2、实现页面置换算法分别实现 FIFO 和 LRU 页面置换算法。

在页面调入和调出时，根据相应的算法选择置换的页面。

3、测试和分析实验结果生成一系列的访问序列，模拟程序的运行。

统计不同页面置换算法下的缺页次数和命中率。

分析实验结果，比较不同算法的性能。

五、实验过程与结果1、页式存储管理系统的实现我们将页面大小设置为 4KB，主存容量为 16MB，辅存容量为 1GB。

淮海工学院计算机科学系实验报告书课程名：《操作系统》题目：虚拟存储器管理页面置换算法模拟实验班级：学号：姓名：一、实验目的与要求1.目的：请求页式虚存管理是常用的虚拟存储管理方案之一。

通过请求页式虚存管理中对页面置换算法的模拟，有助于理解虚拟存储技术的特点，并加深对请求页式虚存管理的页面调度算法的理解。

2.要求：本实验要求使用C语言编程模拟一个拥有若干个虚页的进程在给定的若干个实页中运行、并在缺页中断发生时分别使用FIFO和LRU算法进行页面置换的情形。

其中虚页的个数可以事先给定（例如10个），对这些虚页访问的页地址流（其长度可以事先给定，例如20次虚页访问）可以由程序随机产生，也可以事先保存在文件中。

要求程序运行时屏幕能显示出置换过程中的状态信息并输出访问结束时的页面命中率。

程序应允许通过为该进程分配不同的实页数，来比较两种置换算法的稳定性。

二、实验说明1．设计中虚页和实页的表示本设计利用C语言的结构体来描述虚页和实页的结构。

在虚页结构中，pn代表虚页号，因为共10个虚页，所以pn的取值范围是0—9。

pfn代表实页号，当一虚页未装入实页时，此项值为-1；当该虚页已装入某一实页时，此项值为所装入的实页的实页号pfn。

time项在FIFO算法中不使用，在LRU中用来存放对该虚页的最近访问时间。

在实页结构中中，pn代表虚页号，表示pn所代表的虚页目前正放在此实页中。

pfn代表实页号，取值范围（0—n-1）由动态指派的实页数n所决定。

next是一个指向实页结构体的指针，用于多个实页以链表形式组织起来，关于实页链表的组织详见下面第4点。

2．关于缺页次数的统计为计算命中率，需要统计在20次的虚页访问中命中的次数。

为此，程序应设置一个计数器count，来统计虚页命中发生的次数。

每当所访问的虚页的pfn项值不为-1，表示此虚页已被装入某实页内，此虚页被命中，count加1。

最终命中率=count/20*100%。

实习五虚拟存储器实验报告一、实验目的本次虚拟存储器实验旨在深入理解虚拟存储器的工作原理，掌握页面置换算法的实现和性能评估，以及观察虚拟存储器对系统性能的影响。

二、实验环境本次实验在装有 Windows 操作系统的计算机上进行，使用了专门的虚拟存储器实验软件，包括模拟系统内存和磁盘存储的工具。

三、实验原理1、虚拟存储器的概念虚拟存储器是一种通过硬件和软件的结合，为用户提供一个比实际物理内存大得多的逻辑地址空间的技术。

它允许程序在运行时，仅将部分数据和代码装入内存，而其余部分则存储在磁盘上，当需要时再进行调入和调出。

2、页面置换算法常见的页面置换算法有先进先出（FIFO）算法、最近最少使用（LRU）算法和最佳置换（OPT）算法等。

这些算法用于决定当内存空间不足时，哪些页面应该被替换出去，以腾出空间给新的页面。

四、实验内容与步骤（一）实验内容1、实现 FIFO 页面置换算法，并对其性能进行测试。

2、实现 LRU 页面置换算法，并对其性能进行比较。

3、观察不同页面访问序列和内存大小对页面置换算法性能的影响。

（二）实验步骤1、启动虚拟存储器实验软件，设置系统内存大小和页面大小。

2、输入页面访问序列，分别运行 FIFO 和 LRU 页面置换算法。

3、记录每次页面置换的情况，包括被置换的页面、缺页次数等。

4、改变页面访问序列和内存大小，重复上述实验过程。

五、实验结果与分析（一）FIFO 页面置换算法结果当使用 FIFO 算法时，对于给定的页面访问序列，随着内存大小的增加，缺页次数逐渐减少。

但在某些情况下，由于先进先出的特性，可能会出现将即将使用的页面置换出去的情况，导致缺页率较高。

（二）LRU 页面置换算法结果LRU 算法在大多数情况下表现优于 FIFO 算法。

因为它基于页面的最近使用情况进行置换，更能保留近期可能会再次使用的页面，从而减少缺页次数。

（三）不同页面访问序列的影响不同的页面访问序列对页面置换算法的性能有显著影响。

虚拟存储管理实验报告实验概述虚拟存储管理实验是操作系统课程中的一项重要实验，旨在通过模拟内存管理中的分页机制和页面置换算法，深入理解操作系统中的虚拟内存管理技术。

本实验主要包括以下几个关键点：- 模拟内存的分页机制- 实现页面置换算法- 分析不同页面置换算法的性能指标实验环境本次实验基于C语言和Linux操作系统进行实现，使用gcc编译器进行编译和调试。

实验过程及实现细节在本次实验中，我们实现了一个简单的虚拟内存系统，主要包括以下几个模块：页面管理、页面分配、页面置换和性能分析。

下面对每个模块的实现细节进行详细描述。

页面管理页面管理模块主要负责管理虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

我们采用了分页机制进行管理，将虚拟内存和物理内存划分为固定大小的页面。

页面的大小由实验设置为4KB。

页面分配页面分配模块负责分配物理内存空间给进程使用。

我们使用一个位图作为物理内存管理的数据结构，记录每个页面的使用情况。

在每次页面分配时，我们会查找位图中第一个空闲的页面，并将其分配给进程。

页面置换页面置换模块是虚拟存储管理中的核心算法，主要用于解决内存中页面不足时的页面置换问题。

本次实验中我们实现了两种常用的页面置换算法：FIFO（先进先出）和LRU（最近最少使用）算法。

FIFO算法是一种简单的页面置换算法，它总是选择最早被加载到物理内存的页面进行置换。

LRU算法是一种基于页面访问历史的算法，它总是选择最长时间未被访问的页面进行置换。

性能分析性能分析模块主要用于评估不同的页面置换算法的性能指标。

我们使用了缺页率（Page Fault Rate）和命中率（Hit Rate）作为评价指标。

缺页率表示物理内存中的页面不能满足进程请求的比例，命中率表示进程请求的页面已经在物理内存中的比例。

实验结果为了评估不同的页面置换算法的性能，在实验过程中，我们通过模拟进程的页面访问序列，统计页面置换次数、缺页率和命中率等指标。

以一个包含100个页面访问请求的序列为例，我们分别使用FIFO算法和LRU 算法进行页面置换。

沈阳工程学院学生实验报告（课程名称：操作系统）实验题目：虚拟存储器管理班级计算机131 学号2013414126 姓名杨光成地点实训F608 指导教师吕海华王黎明实验日期: 2015 年 5 月26 日一、实验题目模拟分页式虚拟存储管理实验。

二、实验要求编写一段程序来模拟页面置换算法。

要求能分别显示最佳(Optimal)置换算法、先进先出(FIFO)页面置换算法和最近最久未使用(LRU)置换算法的置换过程。

三、实验目的通过本实验帮助学生理解虚拟存储器的工作方法。

了解分页式存储管理里中各页面置换算法是怎样实现的，各算法有怎样的优缺点。

四、实验原理分析⑴页面置换算法是在分页存储管理方式中为了合理的将进程运行所需的页面调入内存而产生的算法。

一个好的页面转换算法，应具有较低的页面更换频率。

最常见的页面置换算法有最佳(Optimal)置换算法、先进先出(FIFO)页面置换算法和最近最久未使用(LRU)置换算法。

⑵算法的说明最佳置换算法：选择以后永不使用或是在最长时间内不再被访问的页面作为被淘汰的页面。

这种算法通常可保证获得最低的缺页率，但因为内存中哪个页面是以后永不使用的是无法预知的，所以该算法是无法实现的。

先进先出页面置换算法：选择内存中驻留时间最长的页面作为被淘汰的页面。

该算法实现简单，只需将调入内存中的页面链成一个队列，并设置一个指针指向最老的页面即可。

最近最久未使用置换算法：选择最近最久未使用的页面作为被淘汰的页面。

该算法需要为每个页面设置一个访问字段用来记录页面上次被访问的时间，通过这个时间来决定淘汰哪一个页面。

⑶主要变量及函数说明如表1所示表1 主要变量及函数说明表PRA(void) 初始化int findSpace(void) 查找是否有空闲内存int findExist(int curpage) 查找内存中是否有该页面int findReplace(void) 查找应予置换的页面void display(void) 显示void FIFO(void) FIFO算法void LRU(void) LRU算法void Optimal(void) OPTIMAL算法void BlockClear(void) BLOCK恢复struct pageInfor * block 物理块struct pageInfor * page 页面号串五、实验代码清单1、主函数（如图1）int main(){int c;int m=0,t=0;float n=0;Pro p[L];m=Input(m,p);//调用input函数，返回m值cout<<"请输入可用内存页面数m(3～5): ";do{cin>>M;if(M>5||M<3)cout<<"内存块m须在3～5之间，请重新输入m： ";else break;}while(1);Pro *page=new Pro[M];do{for(int i=0;i<M;i++)//初试化页面基本情况{page[i].num=0;page[i].time=m-1-i;}i=0;cout<<"1:FIFO"<<endl;cout<<"2:LRU"<<endl;cout<<"3:OPT"<<endl;cout<<"按其它键结束程序；"<<endl; cin>>c;return 0;}图1 2、FIFO页面置换（如图2）if(c==1)//FIFO页面置换{n=0;cout<<" ****************************************** "<<endl;cout<<endl;cout<<" FIFO算法情况如下: "<<endl;cout<<endl;cout<<" ****************************************** "<<endl;while(i<m){if(Search(p[i].num,page)>=0)//当前页面在内存中{ cout<<p[i].num<<" ";//输出当前页p[i].numcout<<"不缺页"<<endl;i++;//i加1}else //当前页不在内存中{if(t==M)t=0;else{n++;//缺页次数加1page[t].num=p[i].num;//把当前页面放入内存中cout<<p[i].num<<" ";print(page);//打印当前页面t++;//下一个内存块i++;//指向下一个页面}}}cout<<"缺页次数："<<n<<" 缺页率："<<n/m<<endl;}图23、LRU页面置换（如图3）if(c==2)//LRU页面置换{n=0;cout<<" ****************************************** "<<endl;cout<<endl;cout<<" LRU算法情况如下: "<<endl;cout<<endl;cout<<" ****************************************** "<<endl; while(i<m){int a;t=Search(p[i].num,page);if(t>=0)//如果已在内存块中{page[t].time=0;//把与它相同的内存块的时间置0for(a=0;a<M;a++)if(a!=t)page[a].time++;//其它的时间加1cout<<p[i].num<<" ";cout<<"不缺页"<<endl;}else//如果不在内存块中{n++; //缺页次数加1t=Max(page);//返回最近最久未使用的块号赋值给tpage[t].num=p[i].num;//进行替换page[t].time=0;//替换后时间置为0cout<<p[i].num<<" ";print(page);for(a=0;a<M;a++)if(a!=t)page[a].time++;//其它的时间加1}i++;}cout<<"缺页次数："<<n<<" 缺页率："<<n/m<<endl;}图34、OPT页面置换（如图4）if(c==3)//OPT页面置换{n=0;cout<<" ****************************************** "<<endl;cout<<endl;cout<<" OPT算法情况如下:"<<endl;cout<<endl;cout<<" ****************************************** "<<endl;while(i<m){if(Search(p[i].num,page)>=0)//如果已在内存块中{cout<<p[i].num<<" ";cout<<"不缺页"<<endl;i++;}else//如果不在内存块中{int a=0;for(t=0;t<M;t++)if(page[t].num==0)a++;//记录空的内存块数if(a!=0)//有空内存块{int q=M;for(t=0;t<M;t++)if(page[t].num==0&&q>t)q=t;//把空内存块中块号最小的找出来page[q].num=p[i].num;n++;cout<<p[i].num<<" ";print(page);i++;}else{int temp=0,s;for(t=0;t<M;t++)//寻找内存块中下次使用离现在最久的页面if(temp<Count(page,i,t,p)){temp=Count(page,i,t,p);s=t;}//把找到的块号赋给spage[s].num=p[i].num;n++;cout<<p[i].num<<" ";print(page);i++;}}}cout<<"缺页次数："<<n<<" 缺页率："<<n/m<<endl;}图4五、成绩评定优良中及格不及格出勤内容格式分析总评指导教师：年月日。