操作系统实验(四)实验报告 虚拟内存

实验四页式虚拟存储管理中地址转换和缺页中断一、实验目的深入了解页式存储管理如何实现地址转换；进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断。

二、实验预备知识页式存储管理中地址转换的方法；页式虚拟存储的缺页中断处理方法。

三、实验内容编写程序完成页式虚拟存储管理中地址转换过程和模拟缺页中断的处理。

实验具体包括：首先对给定的地址进行地址转换工作，若发生缺页则先进行缺页中断处理，然后再进行地址转换；最后编写主函数对所做工作进行测试。

假定主存64KB，每个主存块1024字节，作业最大支持到64KB，系统中每个作业分得主存块4块。

四、提示与讲解页式存储管理中地址转换过程很简单，假定主存块的大小为2n字节，主存大小为2m'字节和逻辑地址m位，则进行地址转换时，首先从逻辑地址中的高m-n位中取得页号，然后根据页号查页表，得到块号，并将块号放入物理地址的高m'-n位，最后从逻辑地址中取得低n位放入物理地址的低n位就得到了物理地址，过程如图6所示。

逻辑地址图6 页式存储管理系统地址转换示意图地址转换是由硬件完成的，实验中使用软件程序模拟地址转换过程，模拟地址转换的流程如图7所示（实验中假定主存64KB，每个主存块1024字节，即n=10,m'=16，物理地址中块号6位、块内地址10位；作业最大64KB，即m=16，逻辑地址中页号6位、页内地址10位）。

在页式虚拟存储管理方式中，作业信息作为副本放在磁盘上，作业执行时仅把作业信息的部分页面装入主存储器，作业执行时若访问的页面在主存中，则按上述方式进行地址转换，若访问的页面不在主存中，则产生一个“缺页中断”，由操作系统把当前所需的页面装入主存储器后，再次执行时才可以按上述方法进行地址转换。

页式虚拟存储管理方式中页表除页号和该页对应的主存块号外，至少还要包括存在标志（该页是否在主存），磁盘位置（该页的副本在磁盘上的位置）和修改标志（该页是否修改过）。

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。

一、实训背景随着计算机技术的发展，计算机系统的内存容量需求越来越大。

然而，由于物理内存（RAM）的成本较高，且受限于物理空间的限制，很难满足用户对大内存的需求。

为了解决这个问题，虚拟内存技术应运而生。

虚拟内存是一种将部分硬盘空间虚拟化为内存的技术，可以有效扩充计算机系统的内存容量，提高系统的运行效率。

本实训旨在设计并实现一个虚拟内存系统，通过对虚拟内存的设计、实现和测试，加深对虚拟内存原理和技术的理解。

二、实训目标1. 理解虚拟内存的基本原理和设计方法；2. 掌握虚拟内存的硬件和软件实现技术；3. 设计并实现一个简单的虚拟内存系统；4. 对虚拟内存系统进行测试和分析，评估其性能。

三、实训内容1. 虚拟内存基本原理虚拟内存的核心思想是将计算机的物理内存与硬盘空间进行映射，使得计算机在访问内存时，可以将部分数据存储到硬盘上，从而实现内存的扩充。

虚拟内存的主要技术包括：（1）页式存储管理：将内存划分为固定大小的页，硬盘空间也划分为同样大小的块（或称为页框）。

当程序需要访问内存时，虚拟内存管理系统会将所需的页加载到物理内存中。

（2）置换算法：当物理内存不足时，虚拟内存管理系统需要选择一部分页从内存中移出，并将它们存储到硬盘上。

常用的置换算法有FIFO、LRU、OPT等。

（3）地址映射：虚拟内存管理系统需要将虚拟地址转换为物理地址，以便计算机可以访问到正确的内存位置。

2. 虚拟内存硬件实现虚拟内存的硬件实现主要包括以下部分：（1）内存控制器：负责控制物理内存的读写操作。

（2）地址转换逻辑：将虚拟地址转换为物理地址。

（3）页面缓存：用于缓存频繁访问的页，以提高系统性能。

3. 虚拟内存软件实现虚拟内存的软件实现主要包括以下部分：（1）虚拟内存管理系统：负责管理虚拟内存的分配、回收和页面置换等操作。

（2）页面置换算法实现：根据不同的置换算法实现相应的页面置换逻辑。

（3）地址映射表：用于存储虚拟地址与物理地址的映射关系。

实验四 操作系统存储管理实验报告一、实验目的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，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。

二、实验内容（1） 通过计算不同算法的命中率比较算法的优劣。

同时也考虑了用户内存容量对命中率的影响。

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中的次数。

在本实验中，假定页面大小为1k ，用户虚存容量为32k ，用户内存容量为4页到32页。

（2） produce_addstream 通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。

A 、 指令的地址按下述原则生成：1） 50%的指令是顺序执行的2）25%的指令是均匀分布在前地址部分3） 25%的指令是均匀分布在后地址部分B 、 具体的实施方法是：1）在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点m ； 2） 顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令；3） 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 ’； 4）顺序执行一条指令，地址为m ’+1的指令 5）在后地址[m ’+2，319]中随机选取一条指令并执行； 6） 重复上述步骤1）~5），直到执行320次指令页地址流长度页面失效次数命中率-=1C、将指令序列变换称为页地址流在用户虚存中，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）计算并输出下属算法在不同内存容量下的命中率。

1）先进先出的算法（FIFO）；2）最近最少使用算法（LRU）；3）最佳淘汰算法（OPT）；4）最少访问页面算法（LFR）；其中3）和4）为选择内容三、系统框图五运行结果首先打印出产生的指令信息，第一列为指令序列号，第二列为指令地址，第三列为指令所在的虚页号选择FIFO调度算法，并且内存从3也开始逐渐增加到32页，打印出缺页次数缺页率，命中率选择LRU调度算法，并且内存从3也开始逐渐增加到32页，打印出缺页次数缺页率，命中率选择OPT调度算法，并且内存从3也开始逐渐增加到32页，打印出缺页次数缺页率，命中率六实验程序产生指令流文件produce_addstream.h #ifndef PRODUCE_ADDSTREAM_H #define PRODUCE_ADDSTREAM_H #include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<time.h>#include<iomanip.h>#include<vector>using namespace std;#define random(x) (rand()%x)#define MAX_LENGTH 320struct produce{int num; //指令序号int zhiling; //指令地址int virtualpage; //指令虚页号produce *next;};struct produce*creatlist();void insert(struct produce *first,struct produce *s); //插入一个节点（尾插法）void print(struct produce *first); //打印函数int max(vector<vector<int> >,int );struct produce*creatlist(){srand((int)time(0));struct produce*first=new produce;first->next=NULL;int m=0,m1=0;/*int yanzheng[20]={7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1};for (int i=0;i<(MAX_LENGTH/4);i++){struct produce *s0;s0=new produce;s0->num=i*4+0;s0->zhiling=yanzheng[i*4+0];s0->virtualpage=s0->zhiling;insert(first,s0);struct produce *s1;s1=new produce;s1->num=i*4+1;s1->zhiling=yanzheng[i*4+1];s1->virtualpage=s1->zhiling;insert(first,s1);struct produce *s2;s2=new produce;s2->num=i*4+2;s2->zhiling=yanzheng[i*4+2];s2->virtualpage=s2->zhiling;insert(first,s2);struct produce *s3;s3=new produce;s3->num=i*4+3;s3->zhiling=yanzheng[i*4+3];s3->virtualpage=s3->zhiling;insert(first,s3);}//*///*for (int i=0;i<(MAX_LENGTH/4);i++){struct produce *s0;s0=new produce;m=random(MAX_LENGTH);s0->num=i*4+0;s0->zhiling=m+1;s0->virtualpage=s0->zhiling/10;insert(first,s0);m1=random(m+1);struct produce *s1;s1=new produce;s1->num=i*4+1;s1->zhiling=m1;s1->virtualpage=s1->zhiling/10;insert(first,s1);struct produce *s2;s2=new produce;s2->num=i*4+2;s2->zhiling=m1+1;s2->virtualpage=s2->zhiling/10;insert(first,s2);struct produce *s3;s3=new produce;s3->num=i*4+3;s3->zhiling=random(MAX_LENGTH-m1-2)+m1+2;s3->virtualpage=s3->zhiling/10;insert(first,s3);}//*/return first;}void insert(struct produce *first,struct produce *s){struct produce *r=first;struct produce *p;while(r){p=r;r=r->next;}p->next=s;p=s;p->next=NULL;}void print(struct produce *first) //打印函数{struct produce *p;p =first->next;cout<<"随机产生的指令的信息如下"<<endl;cout<<"指令序号"<<"指令地址"<<"指令虚页号"<<endl;while (p){cout<<p->num<<'\t'<<p->zhiling<<setw(14)<<p->virtualpage<<endl;p=p->next;}}int max(vector<vector<int> > page,int Maxpage){int a=0,position=0;for (int i=0;i<Maxpage;i++){if (page[i][1]>a){a=page[i][1];position=i;}}return position;}#endif先来先出调度算法：fifo.h#ifndef FIFO_H#define FIFO_Hvoid fifo(struct produce *first,int Maxpage){vector<int> page(Maxpage);//for (int i=0;i<Maxpage;i++)page[i]=-1;int rear=0;//定义一个变量，指向要被替换的位置int pages;//定义变量保存当前指令的所在的地址int count1=0;//int count2=0;//缺页次数int find=1;struct produce *p=first->next;while (p){pages=p->virtualpage;for(int i=0;i<Maxpage;i++){if (page[i]==-1||count1<Maxpage){page[i]=pages;count1 ++;count2 ++;find =1;break;}else if (page[i]==pages){find =1;break;}find=0;}if (find==0){page[rear]=pages;rear ++;rear=rear%Maxpage;count2 ++;}p=p->next;}cout<<"FIFO调度算法缺页次数缺页率命中率"<<endl;cout<<count2<<setw(25)<<double(count2)/MAX_LENGTH<<setw(10)<<1-dou ble(count2)/MAX_LENGTH<<endl;}#endif FIFO_HLRU调度算法lru.h#ifndef LRU_H#define LRU_H#include<vector>using namespace std;//int max(vector<vector<int> >,int );void lru(struct produce*first,int Maxpage){struct produce*p=first->next;vector<vector<int> > page2(Maxpage, vector<int>(2));int count1=0; //定义内存已经被占用的页数int count2=0; //定义记录缺页次数int equal=0; //定义判断如果当前页数与比较的页数，如果相等则为1，否则为0int place=0; //定义要替换的位置for (int i=0;i<Maxpage;i++){page2[i][0]=-1;page2[i][1]=0;}while (p){if (count1<Maxpage){for (int i=0;i<Maxpage;i++){page2[i][1]=page2[i][1]+1;if (page2[i][0]==-1){page2[i][0]=p->virtualpage;count2++;break;}else if (page2[i][0]==p->virtualpage){page2[i][1] =1;}}count1++;}else{for (int i=0;i<Maxpage;i++){page2[i][1] +=1;if (page2[i][0]==p->virtualpage){equal=1;place=i;break;}}if (equal==1){page2[place][1] =1;equal=0;}else{place = max(page2,Maxpage);page2[place][1]=1;page2[place][0]=p->virtualpage;count2++;}}p=p->next;}cout<<"LRU调度算法缺页次数缺页率命中率"<<endl;cout<<count2<<setw(24)<<double(count2)/MAX_LENGTH<<setw(10)<<1-dou ble(count2)/MAX_LENGTH<<endl;}#endif LRU_HOPT调度算法opt.h#ifndef OPT_H#define OPT_H#include<vector>using namespace std;int search(struct produce*place,int position);void opt(struct produce*first,int Maxpage){struct produce*p =first->next;vector<vector<int> > page3(Maxpage, vector<int>(2));int count1=0; //定义内存已被使用的页数int count2=0; //定义缺页次数int current=0; //定义当前工作位置int equal=0; //定义判断如果当前页数与比较的页数，如果相等则为1，否则为0int place=0; //定义要替换的位置for (int i=0;i<Maxpage;i++){page3[i][0]=-1;page3[i][1]=0;}while (p){//cout<<1111<<endl;if (count1<Maxpage){for (int i=0;i<Maxpage;i++){if (page3[i][0]==-1){page3[i][0]=p->virtualpage;page3[i][1]=search(p,current);count2++;break;}else if (page3[i][0]==p->virtualpage){page3[i][1]=search(p,current);}}count1++;}else{for (int i=0;i<Maxpage;i++){if (page3[i][0]==p->virtualpage){equal=1;place=i;break;}}if (equal==1){page3[place][1] =search(p,current);equal=0;}else{place = max(page3,Maxpage);page3[place][1]=search(p,current);page3[place][0]=p->virtualpage;count2 +=1;}}p=p->next;current +=1;}cout<<"OPT调度算法缺页次数缺页率命中率"<<endl;cout<<count2<<setw(25)<<double(count2)/MAX_LENGTH<<setw(10)<<1-dou ble(count2)/MAX_LENGTH<<endl;}int search(struct produce*place,int position){struct produce*p=place->next;int current=place->virtualpage;int position1=position+1;while(p){if (current==p->virtualpage){return position1;}position1++;p=p->next;}return position1;}#endif主函数控制台ccglmain.cpp#include<iostream.h>#include "produce_addstream.h"#include "fifo.h"#include "lru.h"#include "opt.h"void main(){int S; //定义变量记录用户选择char again; //定义变量用户选择继续还是退出cout<<"开始产生内存指令"<<endl;struct produce *first=creatlist();//产生随机指令cout<<"打印产生的指令信息"<<endl;print(first);//打印产生的指令信息while (1){int Maxpage=3;//定义内存最大页面数cout<<"输入你的选择"<<endl;cout<<"1:FIFO(先进先出)调度算法\n"<<"2:LRU(最近最少使用算法)\n"<<"3:OPT(最佳淘汰算法)\n"<<"4:清屏"<<endl;cin>>S;while(S>4||S<1){cout<<"输入错误重新输入"<<endl;cin>>S;}if (S!=4){while(Maxpage<=32){switch(S){case 1:fifo(first,Maxpage);break;case 2:lru(first,Maxpage);break;case 3:opt(first,Maxpage);break;default:break;}Maxpage++;}cout<<"是否继续调用其他算法？是请按y/Y,否请按其它键"<<endl;cin>>again;if(again=='y'||again=='Y'){continue;}else break;}else system("cls");}}。