先进先出算法（FIFO）——页面置换

Posted 2020-11-06 豪杰冢化尘烟

原创

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最近操作系统实习，写了先进先出算法（FIFO）的代码来实现页面置换。

题目阐述如下：

　　　　　　　　设计四:页面置换

设计目的：

加深对请求页式存储管理实现原理的理解，掌握页面置换算法。

设计内容:

    设计一个程序，有一个虚拟存储区和内存工作区，实现下述三种算法中的任意两种，计算访问命中率

（命中率=1-页面失效次数/页地址流长度）。附加要求：能够显示页面置换过程。算法包括：先进先出的

算法（FIFO）、最少使用算法（LRU）、最近未使用算法（NUR）该系统页地址流长度为320，页面失效

次数为每次访问相应指令时，该指令对应的页不在内存的次数。   程序首先用srand()和rand()函数分别进

行初始化、随机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。通过随机数产生一个指令序列。共320条指令，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。

具体的实施方法如下：

在【0，319】的指令地址之间随机选取一起点m。

顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令。

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’。

顺序执行一条指令，其地址为m’+1。

在后地址【m’+2,319】中随机选取一条指令并执行。

重复步骤（1）-（5），直到320次指令。

将指令序列变换为页地址流。

设：

页面大小为1KB。

用户内存容量4页到32页。（动态变化）

用户虚存容量为32KB。（32页）

在用户虚存中，按每K存放10条指令虚存地址，即320条指令在虚存中的存放方式为：

第0条～9条指令为第0页（对应虚存地址为【0，9】）。

第10条～19条指令为第1页（对应虚存地址为【10，19】）。

……

第310条～319条指令为第31页（对应虚拟地址为【310，319】）。

按以上方式，用户指令可组成32页。

计算每种算法在不同内存容量下的命中率。

 

分页管理是这样的，将内存和作业分成大小相等的页块，作业中的每个页块在不需要被使用时存放在外存中（虚拟存储区），

当需要使用时将其从外存调入内存页块中；根据题意，在外存中的页面顺序存储着指令，需要执行哪一条指令就找到其对应的

页面，若页面已在内存则无需再操作，否则此页面缺页，需要将其调入内存，当内存块未满时，只需要直接将其插入内存块中

若内存块已满，则需要调用先进先出算法淘汰出一个页面（将其调回外存），再将此页面调入。

首先通过 rand 函数和 srand 函数产生320条指令，计算每条指令对应的页面很简单，只需要将指令/10即可；得到页地址流后

（页地址流存放在数组中），从头到尾访问一遍页地址流，每访问一个页面就判断其是否已经在内存中，在无需操作，不在则

将其（使用FIFO）调入内存。

FIFO：在页面缺页并且内存块不足时，只需要将内存块中原先的页面依次淘汰即可。

假设页地址流为：1　　2　　3　　5　　4　　3　　8　　11　　12　　6（内存块大小为 3 ）

1　　2　　3　　进入内存

5　　2　　3　　1被调出

5　　4　　3　　2被调出

5　　4　　3　　命中

5　　4　　8　　3被调出（形成一个循环）

11　  4　　8　　5被调出

11　 12　  8　　4被调出

11　 12　  6　　8被调出（形成一个循环）

只要为内存块编号（不是为页面编号），用一个变量（初值为1）作为指针，此变量指向的内存块，就是被FIFO选中需要调出的

内存块，调出后变量+1，当变量大于内存块数时，再将其置为1（循环）。

#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<stdlib.h>
#define max_page 10    //内存页面数

int Page[320]={0};    //虚拟存储区,存储320条指令,32个页面 
int Page_flu[320]={0};    //存储320个页地址流
int count=0;    //计算随机产生的指令条数
double lack_page=0;    //记录缺页数 
int count_page=max_page;     //计算队列空页面个数 
int circle=1;    //在队列中循环指向被调出的进程 

struct Memo{    //用结构体存储内存页面块
    int num;     //给每个页面编号,方便将其从队列中找到并调出 
    int a; 
    struct Memo *next;
};

int Judge_Page(int value){    //输入指令,返回指令对面的页面号 
    return value/10;
}

int scan_queen(struct Memo *hear,int value){    //value代表页面号,扫描队列,缺页返回0,否则返回1
    struct Memo *move;
    move=hear->next;
    while(move!=NULL){
        if(move->a==value){
            return 1;
        }
        move=move->next;
    }
    return 0;
}

void print(struct Memo *hear){    //输出内存页面
    struct Memo *move;
    move=hear->next;
    while(move!=NULL){
        printf("%d ",move->a);
        move=move->next;
    }
    printf("\\n");
}

void insert(struct Memo *hear,int value,int ZL){    //将页面value调入内存,ZL为对应指令 
    if(count_page>=1){    //内存页面空间充足
        struct Memo *move;
        move=hear->next;
        while(move->a!=-1){
            move=move->next;
        }
        move->a=value;    //将页面调入 
        count_page--;
        printf("页面 %d 被调入————对应指令为: %d \\n",value,ZL);
    }
    else{    //内存空间不足，调出最先进入的页面后，将页面value后调入
        struct Memo *move;
        move=hear->next;
        while(move->num!=circle){    //circle存储的是需要调出的页面编号 
            move=move->next;
        }
        printf("页面 %d 被调出,页面 %d 被调入————指令为: %d \\n",move->a,value,ZL);
        move->a=value;    //将页面调入
        circle++;
        if(circle==max_page+1){    //当circle>max_page+1时,最先进入的页面为队列首页面 
            circle=1;
        }
    }
    print(hear);    //调入后输出内存队列 
}

void FIFO(struct Memo *hear){
    int i=0;
    for(i=0;i<=319;i++){    //循环扫描页面 
        if( scan_queen(hear,Page_flu[i])==0){    //判断是否缺页
            lack_page++;
            insert(hear,Page_flu[i],Page[i]);    //缺页将页面调入内存
        }
        else{    //不缺页 
            printf("指令 %d 对应页面 %d 已在内存\\n",Page[i],Page_flu[i]);
        }
        //不缺页无需操作 
    }
}

void Pro_Page(){    //形成页地址流函数 
    int m=0;    //在[0,319]的指令地址之间随机选取一起点m
    m=rand()%320;
    
    Page[count]=m;
    count++;
    if(count==320){
        return;
    }
    int m_=0;    //在前地址[0,m+1]中随机选取一条指令并执行
    m_=rand()%(m+1);
    
    Page[count]=m_;
    count++;
    if(count==320){
        return;
    }
    Page[count]=m_+1;
    count++;
    if(count==320){
        return;
    }
    int m__=0;
    m__=(m_+2)+rand()%( 319-(m_+2)+1 );    //在后地址[m_+2,319]的指令地址之间随机选取一条指令并执行
    Page[count]=m__;
    count++;
    if(count==320){
        return;
    }
    
    Pro_Page();
}

void Flu(){    //将指令转换为页地址流
    int i=0;
    for(i=0;i<=319;i++){
        Page_flu[i]=Judge_Page( Page[i] );
    }
}

int main(){
    struct Memo Stu[max_page+1];
    struct Memo *hear;
    hear=&Stu[0];
    //*************************************
    int i=0;
    for(i=0;i<=max_page;i++){    //形成内存页面队列
        if(i==max_page){
            Stu[i].a=-1;
            Stu[i].next=NULL;
            Stu[i].num=i;
            break;
        }
        Stu[i].next=&Stu[i+1];
        Stu[i].a=-1;
        Stu[i].num=i;
    }
    //*************************************
    srand(time(0));    //放在Pro_Page函数外面
    Pro_Page();    //形成页地址流
    Flu();    //形成页地址流 
    /*
    printf("页地址流：\\n");
    for(i=0;i<=319;i++){    //输出页地址流
        printf("%d ",Page[i]);
        if(i%3==0 && i!=0){
            printf("\\n");
        }
    }
    printf("\\n");
    */
    //*************************************
    
    FIFO(hear);
    printf("缺页次数为： %0.0lf\\n",lack_page);
    printf("命中率为：%lf\\n",1-lack_page/320);
    
    return 0;
}

（运行结果部分截图）

11:33:47

2018-05-19