计算机操作系统实验之页面置换算法（C语言）

• • • 实验目的
    • 实验内容与基本要求
    • 页面置换算法的基本内容
    • • 最佳置换算法
      • 先进先出置换算法
      • 最近最久未使用算法
    • 实现思路
    • 流程图
    • • 程序总流程图
      • OPT算法流程图
      • FIFO算法流程图
      • LRU算法流程图
    • 全部代码
    • • 代码
      • 实验截图

实验目的

1、了解内存分页管理策略

2、掌握一些基本的页面置换算法

实验内容与基本要求

用C，C++等语言编写程序，实现OPT、FIFO、LRU置换算法

页面置换算法的基本内容

页面置换算法是在当进程运行过程中，若其要访问的页面不在内存且内存已满时，要决定将哪个页面换出的算法。常见的页面置换算法包括最佳置换、先进先出置换、最近最久未使用置换和Clock置换等。本次的实验实现的算法包括最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）和最近最久未使用算法（LRU）。

页面置换算法涉及到一些概念如下：

• 缺页率：当需要访问的页面不在内存时称为缺页，此时需要将页面调入内存。缺页率就是要访问的页面不在内存中的概率。因此缺页率=缺页次数/要访问的页面总数。需要注意的是，缺页的时候不一定需要进行页面置换（如果内存还没满，直接将页面调入内存即可）。
• 置换率：置换就是将旧页面调出内存，新页面调进内存，即新页面代替旧页面的过程。置换率就是需要进行页面置换的概率。所以置换率=置换次数/要访问的页面总数。
• 命中率：就是要访问的页面恰好在内存中的概率。可以发现（缺页率+命中率=1）。

最佳置换算法

最佳置换算法，就是所选择内存中以后永远不再使用，或者是在未来最长的一段时间内不再被访问的页面来换出。

用这种算法可以保证获得最低的缺页率，最低的置换次数，因此效率最高。然而在实际情况中，我们是无法知道哪个页面是未来最长时间内不再被访问的，所以实际上它是无法实现的。

先进先出置换算法

先进先出置换算法，就是选择内存中最先进入内存，在内存中呆的最久的页面来换出。它实现简单，但是效率不高。

最近最久未使用算法

最近最久未使用算法，是选择当前内存中，最久没有被访问的页面来换出。它是希望通过过去页面访问的情况，来预测未来页面的访问情况，但是页面过去与未来的走向之间并没有必然的联系，因此它的效率也不是十分高。

实现思路

无论采用哪个算法，当进程需要访问一个页面时，存在三种情况：

1.页面已经在内存中

2.页面不在内存中，但是此时内存还未满

3.页面不在内存中，且此时内存已满，需要把页面换出

不同算法的区别主要是决定换出哪个页面

最佳置换算法中，被换出的算法是在最长未来时间内不再被访问的页面。也就是说，需要计算出当前内存中页面的下一次访问位置，哪个页面的下一次访问位置最远，就将它换出。因此需要一个数组额外记录下次访问位置，每当访问完一个页面（不管这个页面是新换入的，还是早就在内存中的），都需要遍历剩下的页面号引用串，更新这个数组。

先进先出置换算法比较简单，用一个变量记录当前内存中最先进入页面的下标。由于页面都是按数组下标顺序保存的，因此每访问一个页面，该变量就加一。等变量等于数组长度时，再重新归零即可。

最近最久未使用算法有两种思路：1.与最佳置换算法类似，设置一个时间数组，记录从内存中页面上次访问至今的时间，哪个页面的时间最长则将它换出。如果要访问的页面已在内存中，则时间归零。当每次发起一个访问请求，则所有页面访问时间加一，更新该数组。2.用数组模拟队列的结构，队列头出队列尾入，每当需要访问新的页面时，就将数组内的数据前移一位，新页面加入数组最后。如果要访问的页面已在内存中，则用一个临时变量记录该页面，然后从该页面起的数据前移一位，把该页面加入数组最后（课本上说是用栈的结构，但是严格上来说，栈只允许一端出入。因此按照课本上的功能描述，实际应该采用的结构仍是队列）

流程图

程序总流程图

OPT算法流程图

FIFO算法流程图

LRU算法流程图

全部代码

代码

//
//  main.c
//  pageReplacement
//
//  Created by Apple on 2019/11/12.
//  Copyright © 2019 Yao YongXin. All rights reserved.
//

#include <stdio.h>

//初始化队列
void initializeList(int list[],int number){
    for (int i = 0; i < number; i ++) {
        list[i] = -1;
    }
}
//展示队列状态
void showList(int list[], int number){
    for (int i = 0; i < number; i ++) {
        printf("%2d",list[i]);
    }
    printf("\n");
}

//展示当前内存状态
void showMemoryList(int list[],int phyBlockNum){
    for (int i = 0; i < phyBlockNum; i ++) {
        if (list[i] == -1) {
            break;
        }
        printf(" |%d|",list[i]);
    }
    printf("\n");
}

void informationCount(int missingCount,int replaceCount,int pageNum){
    printf("缺页次数:%d   缺页率:%d/%d\n",missingCount,missingCount,pageNum);
    double result = (double)(pageNum - missingCount)/(double)pageNum;
    printf("置换次数:%d  命中率:%.2f\n",replaceCount,result);
}

//找到该页面下次要访问的位置
int getNextPosition(int currentPage,int currentPosition,int strList[],int pageNum){
    
    for (int i = currentPosition+1; i < pageNum; i ++) {
        if (strList[i] == currentPage) {
            return i;
        }
    }
    
    return 100;
}

//最佳置换算法
void replacePageByOPT(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){
    
    //置换次数
    int replaceCount = 0;
    //缺页次数
    int missingCount = 0;
    
    //记录在内存的物理块的下一次访问位置
    int nextPosition[phyNum];
    //初始化
    initializeList(nextPosition, phyNum);
    
    //记录当前页面的访问情况: 0 未访问
    int isVisited;
    
    for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {
        isVisited = 0;
        //判断是否需要置换->内存已满且需要访问的页面不在内存中
        for (int j = 0; j < phyNum; j ++) {
            if (memoryList[j] == strList[i]) {
                //该页面已经存在内存中
                //记录下一次访问它的位置
                nextPosition[j] = getNextPosition(memoryList[j], i, strList, pageNum);
                
                //修改访问情况
                isVisited = 1;
                
                //展示
                printf("%d\n",strList[i]);
                break;
            }
            if (memoryList[j] == -1) {
                //页面不在内存中且内存未满->直接存入
                memoryList[j] = strList[i];
                nextPosition[j] = getNextPosition(memoryList[j], i, strList, pageNum);
                
                missingCount ++;
                
                //修改访问情况
                isVisited = 1;
                
                //展示
                printf("%d\n",strList[i]);
                showMemoryList(memoryList, phyNum);
                break;
            }
        }
        
        if (!isVisited) {
            
            //当前页面还没访问过
            //内存已满且当前访问不在内存中->进行置换
            //1.寻找到最晚才被访问到的页面
            int max = 0;
            for (int k = 1; k < phyNum; k ++) {
                if (nextPosition[max] < nextPosition[k]) {
                    max = k;
                }
            }
            
            
            //2.将该位置的页面换出
            memoryList[max] = strList[i];
            nextPosition[max] = getNextPosition(memoryList[max], i, strList, pageNum);
            
            missingCount ++;
            replaceCount ++;
            
            //展示
            printf("%d\n",strList[i]);
            showMemoryList(memoryList, phyNum);
        }
    }
    informationCount(missingCount, replaceCount,pageNum);
}
//先进先出置换算法
void replacePageByFIFO(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){
    
    //置换次数
    int replaceCount = 0;
    //缺页次数
    int missingCount = 0;
    
    //记录当前最早进入内存的下标
    int pointer = 0;
    
    //记录当前页面的访问情况: 0 未访问
    int isVisited = 0;
    for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {
        isVisited = 0;
        
        //判断是否需要置换->内存已满且需要访问的页面不在内存中
        for (int j = 0; j < phyNum; j ++) {
            if (memoryList[j] == strList[i]) {
                //该页面已经存在内存中
                //修改访问情况
                isVisited = 1;
                //修改访问时间
                //展示
                printf("%d\n",strList[i]);
                break;
            }
            if (memoryList[j] == -1) {
                //页面不在内存中且内存未满->直接存入
                memoryList[j] = strList[i];
                //修改访问情况
                isVisited = 1;
                missingCount ++;
                //展示
                printf("%d\n",strList[i]);
                showMemoryList(memoryList, phyNum);
                break;
            }
        }
        
        if (!isVisited) {
            //当前页面还未被访问过->需要进行页面置换
            //直接把这个页面存到所记录的下标中
            memoryList[pointer] = strList[i];
            
            //下标指向下一个
            pointer ++;
            
            //如果到了最后一个，将下标归零
            if (pointer > phyNum-1) {
                pointer = 0;
            }
            
            
            missingCount ++;
            replaceCount ++;
            
            //展示
            printf("%d\n",strList[i]);
            showMemoryList(memoryList, phyNum);
        }
    }
    informationCount(missingCount, replaceCount, pageNum);
}

//最近最久未使用置换算法
void replacePageByLRU(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){
    
    //置换次数
    int replaceCount = 0;
    //缺页次数
    int missingCount = 0;

    //记录内存中最近一次访问至今的时间
    int timeRecord[phyNum];
    //初始化
    initializeList(timeRecord, phyNum);

    //记录当前页面的访问情况: 0 未访问
    int isVisited = 0;
    
    //记录已经在内存中的页面数量
    int pageCount = 0;
    for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {
        isVisited = 0;
        
        //时间加一
        for (int p = 0; p < pageCount; p ++) {
            if (memoryList[p] != -1) {
                timeRecord[p] ++;
            }
        }
        
        //是否需要置换
        for (int j = 0; j < phyNum; j ++) {
            if (memoryList[j] == strList[i]) {
                //该页面已经存在内存中
                //修改访问情况
                isVisited = 1;
                //重置访问时间
                timeRecord[j] = -1;
                //展示
                printf("%d\n",strList[i]);
                break;
            }
            if (memoryList[j] == -1) {
                //页面不在内存中且内存未满->直接存入
                memoryList[j] = strList[i];
                pageCount ++;
                //修改访问情况
                isVisited = 1;
                //修改访问时间
                timeRecord[j] ++;
                
                missingCount ++;
                //展示
                printf("%d\n",strList[i]);
                showMemoryList(memoryList, phyNum);
                break;
            }
        }

        if (!isVisited) {
            //需要置换
            //1.遍历时间记录表，寻找最久未访问的页面所在的内存下标
            int max = 0;
            for (int k = 0; k < phyNum; k ++) {
                if (timeRecord[max] < timeRecord[k]) {
                    max = k;
                }
            }

            //2.将该位置的页面换出
            memoryList[max] = strList[i];
            timeRecord[max] = -1;
            
            missingCount ++;
            replaceCount ++;

            //展示
            printf("%d\n",strList[i]);
            showMemoryList(memoryList, phyNum);
            
        }
    }
    informationCount(missingCount, replaceCount, pageNum);
}

//最近最久未使用置换算法-2
//void replacePageByLRU(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){
//
//    int isVisited = 0;
//
//    //记录已经在内存中的页面数量
//    int pageCount = 0;
//    for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {
//        isVisited = 0;
//        //判断内存是否需要换页
//        for (int j = 0; j < phyNum; j ++) {
//            if (memoryList[j] == strList[i]) {
//                //已经存在于内存中，把它换到队列尾部
//                int temp = memoryList[j];
//                for (int k = j; k < pageCount-1; k ++) {
//                    memoryList[k] = memoryList[k+1];
//                }
//                memoryList[pageCount-1] = temp;
//
//                //修改访问情况
//                isVisited = 1;
//                //修改访问时间
//                //展示
//                printf("%d\n",strList[i]);
//                break;
//            }
//
//            if (memoryList[j] == -1) {
//                //页面不在内存中且内存未满->直接存入
//                memoryList[j] = strList[i];
//                //修改访问情况
//                isVisited = 1;
//
//                pageCount ++;
//
//                //展示
//                printf("%d\n",strList[i]);
//                showMemoryList(memoryList, phyNum);
//                break;
//            }
//        }
//
//        if (!isVisited) {
//            //需要换页
//            //1.直接将数组整体往前移一位
//            for (int k = 0; k < phyNum; k ++) {
//                memoryList[k] = memoryList[k+1];
//            }
//            //2.将当前页面加到队尾
//            memoryList[phyNum-1] = strList[i];
//            //展示
//            printf("%d\n",strList[i]);
//            showMemoryList(memoryList, phyNum);
//        }
//
//
//    }
//}
int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    //物理块的数量
    int phyBlockNum;
    printf("请输入物理块数量:\n");
    scanf("%d",&phyBlockNum);
    
    //生成内存队列
    int memoryList[phyBlockNum];
    //初始化内存状态
    initializeList(memoryList, phyBlockNum);
    //showMemoryList(memoryList,phyBlockNum);
    
    //页面数量
    int pageNum;
    printf("请输入要访问的页面总数:\n");
    scanf("%d",&pageNum);
    
    //保存页面号引用串
    int pageNumStrList[pageNum];
    printf("请输入要访问的页面号:\n");
    for (int i = 0; i < pageNum; i ++) {
        scanf("%d",&pageNumStrList[i]);
    }
    showList(pageNumStrList, pageNum);
    
    int chose;
    while (1) {
        printf("请选择所需的置换算法:\n");
        printf("1.OPT 2.FIFO 3.LRU 4.退出\n");
        scanf("%d",&chose);
        
        switch (chose) {
            case 1:
                showList(pageNumStrList, pageNum);
                replacePageByOPT(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);
                //重新初始化内存
                initializeList(memoryList, phyBlockNum);
                break;
            case 2:
                showList(pageNumStrList, pageNum);
                replacePageByFIFO(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);
                //重新初始化内存
                initializeList(memoryList , phyBlockNum);
                break;
            case 3:
                showList(pageNumStrList, pageNum);
                replacePageByLRU(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);
                //重新初始化内存
                initializeList(memoryList, phyBlockNum);
                break;
            default:
                return 0;
                break;
        }
    }
    
    return 0;
}
           

实验截图