Linux——页面置换算法（OPT、FIFO、LRU的实现与比较）

目录

 1、  实验题目

   2、实验要求

（1）指令的地址按下述原则生成

（2）具体的实施方法

（3）将指令序列变换为页地址流

3、算法实现参考代码：

 4、运行结果

5、算法比较 

 1、  实验题目

设计一个虚拟存储区和内存工作区，并使用下述算法计算访问命中率。

1、最佳淘汰算法（OPT）

2、先进先出的算法（FIFO）

3、最近最久未使用算法（LRU）

4、最不经常使用算法（LFU）

5、最近未使用算法（NUR）

命中率＝１－（页面失效次数／页地址流长度）

   2、实验要求

  本实验的程序设计首先用srand(  )和rand( )函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。

（1）指令的地址按下述原则生成

通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。

   A：50%的指令是顺序执行的

   B：25%的指令是均匀分布在前地址部分  

   C：25%的指令是均匀分布在后地址部分

（2）具体的实施方法

  A：在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点m

  B：顺序执行一条指令，即执行地址为m+1的指令

  C：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’

  D：顺序执行一条指令，其地址为m’+1

  E：在后地址[m’+2，319]中随机选取一条指令并执行

  F：重复步骤A-E，直到320次指令

（3）将指令序列变换为页地址流

   设：页面大小为1K；

   用户内存容量4页到32页；

   用户虚存容量为32K。

   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、算法实现参考代码：

#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
#define NULL  0
 
#define  total_instruction  320     /*指令流长*/
#define  total_vp  32               /*虚页长*/
#define  clear_period  50           /*清0周期*/
 
#include 
#include 
#include 
 
typedef struct                      /*页面结构*/
{
	int pn,pfn,counter,time;
}pl_type;
pl_type pl[total_vp];               /*页面结构数组*/
 
struct pfc_struct{                  /*页面控制结构*/
	int pn,pfn;
	struct pfc_struct *next;
};
 
typedef struct pfc_struct pfc_type;
 
pfc_type pfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;
 
int diseffect,  a[total_instruction];
int page[total_instruction],  offset[total_instruction];
 
int  initialize(int);
int  FIFO(int);
int  LRU(int);
int  OPT(int);
 
int main( )
{
  int s,i,j;
  srand(10*getpid()); /*由于每次运行时进程号不同，故可用来作为初始化随机数队列的“种子”*/
s=(float)319*rand( )/32767/32767/2+1;  //
for(i=0;i4) /*产生指令队列*/
{
     if(s<0||s>319)
     {
       printf("When i==%d,Error,s==%d\n",i,s);
       exit(0);
     }
     a[i]=s;                            /*任选一指令访问点m*/
     a[i+1]=a[i]+1;                     /*顺序执行一条指令*/
     a[i+2]=(float)a[i]*rand( )/32767/32767/2; /*执行前地址指令m' */
     a[i+3]=a[i+2]+1;                   /*顺序执行一条指令*/
 
     s=(float)(318-a[i+2])*rand( )/32767/32767/2+a[i+2]+2;
     if((a[i+2]>318)||(s>319))
       printf("a[%d+2],a number which is :%d and s==%d\n",i,a[i+2],s);
 
}
for (i=0;i/*将指令序列变换成页地址流*/
{
     page[i]=a[i]/10;
     offset[i]=a[i]%10;
}
for(i=4;i<=32;i++)   /*用户内存工作区从4个页面到32个页面*/
{
      printf("---%2d page frames---\n",i);
      FIFO(i);
      LRU(i);
      OPT(i);
 
}
   return 0;
}
 
int initialize(int total_pf)  //初始化相关数据结构, int total_pf用户进程的内存页面数
{	int i;
diseffect=0;
for(i=0;i
{
       pl[i].pn=i;
       pl[i].pfn=INVALID;        /*置页面控制结构中的页号，页面为空*/
       pl[i].counter=0;
       pl[i].time=-1;         /*页面控制结构中的访问次数为0，时间为-1*/
}
for(i=0;i-1;i++)
{
       pfc[i].next=&pfc[i+1];
       pfc[i].pfn=i;
}   /*建立pfc[i-1]和pfc[i]之间的链接*/
pfc[total_pf-1].next=NULL;
pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;
freepf_head=&pfc[0];         /*空页面队列的头指针为pfc[0]*/
return 0;
}
 
 
int FIFO(int total_pf)              /*先进先出算法*/
{
     int i,j;
     pfc_type *p;
     initialize(total_pf);         /*初始化相关页面控制用数据结构*/
     busypf_head=busypf_tail=NULL; /*忙页面队列头，队列尾链接*/
     for(i=0;i
   {
   if(pl[page[i]].pfn==INVALID)   /*页面失效*/
     {
      diseffect+=1;                  /*失效次数*/
      if(freepf_head==NULL)         /*无空闲页面*/
       {
         p=busypf_head->next;
         pl[busypf_head->pn].pfn=INVALID;
         freepf_head=busypf_head;  /*释放忙页面队列的第一个页面*/
         freepf_head->next=NULL;
         busypf_head=p;
       }
        p=freepf_head->next;         /*按FIFO方式调新页面入内存页面*/
        freepf_head->next=NULL;
        freepf_head->pn=page[i];
        pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
 
	if(busypf_tail==NULL)
        busypf_head=busypf_tail=freepf_head;
     else
    {
      busypf_tail->next=freepf_head;  /*free页面减少一个*/
      busypf_tail=freepf_head;
     }
        freepf_head=p;
     }
}
printf("FIFO:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
 
int LRU (int total_pf)       /*最近最久未使用算法*/
{
 int min,minj,i,j,present_time;
 initialize(total_pf);
 present_time=0;
 
for(i=0;i
  {
      if(pl[page[i]].pfn==INVALID)             /*页面失效*/
    {
         diseffect++;
         if(freepf_head==NULL)              /*无空闲页面*/
      {
         min=32767;
         for(j=0;j/*找出time的最小值*/
           if(min>pl[j].time&&pl[j].pfn!=INVALID)
                    {
		      min=pl[j].time;
		      minj=j;
		     }
          freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn];   //腾出一个单元
          pl[minj].pfn=INVALID;
          pl[minj].time=-1;
          freepf_head->next=NULL;
      }
        pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;   //有空闲页面,改为有效
        pl[page[i]].time=present_time;
	freepf_head=freepf_head->next;      //减少一个free 页面
     }
    else
       pl[page[i]].time=present_time;        //命中则增加该单元的访问次数
 
    present_time++;
   }
printf("LRU:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
 
int OPT(int total_pf)       /*最佳置换算法*/
{int i,j, max,maxpage,d,dist[total_vp];
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
for(i=0;i
{ //printf("In OPT for 1,i=%d\n",i);  //i=86;i=176;206;250;220,221;192,193,194;258;274,275,276,277,278;
  if(pl[page[i]].pfn==INVALID)      /*页面失效*/
   {
      diseffect++;
      if(freepf_head==NULL)         /*无空闲页面*/
         {for(j=0;j
               if(pl[j].pfn!=INVALID) dist[j]=32767;  /* 最大"距离" */
	       else dist[j]=0;
          d=1;
          for(j=i+1;j
            {
	     if(pl[page[j]].pfn!=INVALID)
             dist[page[j]]=d;
             d++;
             }
          max=-1;
          for(j=0;j
          if(max
            {
	      max=dist[j];
	      maxpage=j;
	     }
           freepf_head=&pfc[pl[maxpage].pfn];
           freepf_head->next=NULL;
           pl[maxpage].pfn=INVALID;
          }
   pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
   freepf_head=freepf_head->next;
     }
}
printf("OPT:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
 
return 0;
}

 4、运行结果

5、算法比较 

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