操作系统实验报告-页面置换算法的模拟实现_虚拟内存页面置换算法实验报告

一、实验目的和要求

掌握虚拟存储管理中页面置换算法的原理，设计恰当的数据结构和算法，模拟实现页面置换算法。
熟练掌握一种以上的开发工具，如C++、JAVA、Delphi、VB等，掌握基本的编程技巧，自由选择一种编程语言设计并实现实验内容。

二、实验方法与步骤（需求分析、算法设计思路、流程图等）

需求分析：作业要访问的页面不在主存时，由缺页中断处理程序将所需的页面调入主存，若此时主存没有空闲物理块，则系统将按照一定的页面置换算法选择一些页面移除，以便装入所缺的页面。本实验模拟最近最久未用置换算法-LRU置换算法实现，是一种通用的广泛采用的有效算法。
算法设计思路：LRU置换算法每次都选择最久未使用的页面淘汰，即总是淘汰最后一次访问时间距当前时间间隔最长的页面。该算法的实现中，主要是标记在主存中的页面那个最近最久未被使用。本实验采用堆栈法的策略，按照页面被访问的时间次序依次将页面排列到堆栈中，因此每次最近被访问的页面总是在栈顶，而栈底的页面就是最近最久未使用的页面。当主存中没有空闲的物理块时，需要将栈底页面置换出去，其余页面依次下移，要访问的页面就可以添加到栈顶了。
流程图：

三、实验原始纪录（源程序、数据结构等）

1.数据结构（页面对象）：

public class Page {
    int pagenum; //页面号
    int time; //页面调入主存后存在的时间
}
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2.算法实现代码：

public static void lru(List<Page> list, int p) {
    //淘汰页面集合
    List<Page> out = new ArrayList<>();
    //主存内页面集合，栈式存储
    List<Page> base = new ArrayList<>();
    //缺页中断次数
    int count = 0;
    //命中次数
    int n = 0;

    for (Page page : list) {
        //判断访问的页面是否已在主存
        boolean flag = false;
        //如果页面已在主存中，无需淘汰页面，该页面序列之上的页面依次下移        
	for (Page pageIn : base) {
            if (page.pagenum == pageIn.pagenum) {
                for (int i = base.indexOf(pageIn); i+1 < base.size(); i++) {
                    base.set(i,base.get(i+1));
                    flag = true;
                }
		//页面已在主存中，命中，
                n++;
            }
        }
        //如果页面不在主存
        if (!flag) {
            //若此时主存未满则直接添加到堆栈中
            if (base.size() < p) {
                base.add(page);
            } else {
                //若此时主存已满，则淘汰栈底元素，其余页面依次下移
                out.add(base.get(0));
                for (int i = 0; i + 1 < base.size(); i++) {
                    base.set(i, base.get(i + 1));
                    }
                }
            //页面不在主存中，发生缺页中断
            count++;
        }
        //要访问的页面置于栈顶
        base.set(base.size()-1,page);
        System.out.print("各物理块页号情况：");
        for (Page pageIn : base) {
            System.out.print(pageIn.pagenum + " ");
        }
        System.out.println();
    }

    System.out.print("淘汰页号：");
    for (Page page : out) {
        System.out.print(page.pagenum + " ");
    }
    System.out.println();
    double qyl = (double) count/(double) list.size();
    System.out.println("缺页中断次数："+count+","+"缺页率为："+ qyl);
    double mzl = (double) n/(double) list.size();
    System.out.println("命中次数："+n+","+"命中率："+mzl);
}
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测试类：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        List<Page> list = new ArrayList<>();
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入访问页面的个数：");
        int n = sc.nextInt();
        System.out.println("请输入页面访问的序列：");
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            int pagenum = sc.nextInt();
            Page page = new Page(pagenum, 0);
            list.add(page);
        }
        Page.lru(list, 3);
   }
}
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四、实验结果及分析（计算过程与结果、数据曲线、图表等）

测试设计分配3个主存块，模拟访问13个页面，用表格来描述页面置换过程：

分析：访问页面时，页面未存在于主存中，发生缺页中断。（若此时主存空闲，直接添加堆栈。若此时主存已满，则需要淘汰栈底页面后调入新页面）
若页面已存在于主存中，则命中，需要将页面置于栈顶。
计算：缺页中断次数为9，缺页率9/13=69.2%；命中次数为4，命中率4/13=30.7%。

实验结果分析：根据结果分析，他们共享缓存器资源包子余量count，首先是p1被执行，包子加1，余量为1。接着c1被执行，包子减1，余量为0 。其余步骤类似，直至第11步，此时c1执行，发现缓存器中包子余量为0，进入等待状态并唤醒生产者。同理可知，如果某个时刻执行生产者进程时，发现缓存器中包子余量为3，则该生产者进程也会进入等待状态并唤醒消费者。

五、实验改进与思考

通过此次实验，加深了我对操作系统存储管理的认识，了解了操作系统中各种资源分配算法的实现，特别是对虚拟存储和页面置换的各个算法有了深刻的理解。
这次实验总体难度不是很大，需要实现的算法数目虽然不少，但基本思路较为相似，只要理解了每种算法的特点，理清思路实现起来也并不是很困难。本实验主要对LRU算法作了介绍。从页面数据结构的设计到算法的一步步实现，不断尝试、修改、优化，锻炼了我的编程能力，通过阅读课件再加上自己的理解,我了解了用堆栈法的设计思路。虽然方法名字叫堆栈法，但由于要频繁对栈底元素操作因此并没有真正用到栈，而是利用了栈先进后出的这一特点，方便我们找寻最近最久未使用的页面,感觉这个思路极其巧妙，设计中用到的方法和技巧体现出的很多思想值得我学习。