【操作系统--页面置换算法】C语言详解--大作业版（附代码）-Toy模板网

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一、实验目的

1设计和实现FIFO,LRU,OPT和CLOCK算法

2设计和实现一个完整的可供选择不同算法的程序

3通过页面访问序列随机发生器实现对上述算法的测试及性能比较

4领略页面置换背后的资源调配思想，并将其运用到其他的操作系统的知识，以及运用到生活中的资源调配策略以及解决措施

5理解并掌握各种算法的优缺点，理解FIFO的Belady异常，LRU的优秀性能，CLCOK的折中主义，OPT算法对预测将来做出判断的算法思想

二、实验原理

1.核心基本原理

a.无论是采用什么页面置换算法，都要经过下面的判断

b.页面不在内存中，但是此时内存还未满，那就将页面存到内存中，然后输出,缺页次数++

c.页面不在内存中，且此时内存已满，需要把页面置换，缺页次数++，置换次数++

d.不同算法的区别主要是怎样置换

2．FIFO置换算法

a.相当于是认为最早调入内存的页面，他不再使用的概率比刚调入内存的概率大。

b.置换最先进入内存，就是在内存中驻留时间最长的的页面。

3．LRU置换算法

a.相当于是认为一个页面使用后，如果长时间没有使用，那么将来有更大概率是不会使用的。

b.置换最近最久没有有用过的页面。

4．OPT置换算法

a.相当于假如知道未来页面的使用情况，可以制定当前的最优策略。

b.置换的是未来长时间或者永远不再使用的页面。

c.与FIFO算法对应起来，FIFO是页面进入内存后的时间，而OPT是将来使用页面的时间。

5．CLOCK置换算法

a.相当于改良版的LRU，认为最近没用过的页面就扔掉，而且是类似于一个时钟，一个个页面指过去，所以每个页面都有相等机会被置换出去。

b.用循环数组，置换最近没有访问过的页面。

6．算法评价

【操作系统--页面置换算法】C语言详解--大作业版（附代码）

三、实验方案

1系统设计思路

1系统接受我们输入的页面数量，物理块数，访问序列的长度，然后系统自己生成随机的访问序列。

2复制了访问序列，这样我后续做其他操纵只在fork序列中而不对原序列产生影响。

3自己可以反复的选择不同的置换算法，当然，如果选择的内容不是系统提供的内容，也会提醒重新输入，或者选择退出。

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2数据结构

数据结构	作用
Visit数组	随机序列
Ram数组	物理内存块
Clock数组（CLOCK算法）	对应内存块中的页面，最近有没有访问过
Future数组（OPT算法）	对应内存块中的页面，将来多久要访问
Time数组（）	对应内存块中的页面，多久没有用过了

3核心算法流程图

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4实验测试数据

特定实验测试数据（调试用）

页面数量：6

内存块物理块数：3
访问序列的长度：10

初始化数据

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四、运行结果

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理论分析

置换只发生于内存块满了，而且内存块中没有与页面相同的数据，置换内存中驻留时间最长的页面，也就是轮换着内存块0 1 2 0 1 2…

3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 内存块没有满并且访问的页面不在内存块之中，那就将其放入内存块
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，置换最早进入的内存块0的内容
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，置换内存块0的下一块内存块1的内容
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，置换内存块1的下一块内存块2的内容
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，置换内存块1的下一块内存块2的内容
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，置换内存块2的下一块内存块0的内容

所以总计置换次数为5 缺页次数为5+3=8次

所以缺页率为8/10*100%=80%

【操作系统--页面置换算法】C语言详解--大作业版（附代码）

结果分析：

置换只发生于内存块满了，而且内存块中没有与页面相同的数据，换的是最近最久没有用过的页面，也就是time数组中数据最大的那一项。

时间数组访问到的页面或者置换掉的页面都置为0，而没有访问的都比上一次时间数组多1

3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 内存块没有满并且访问的页面不在内存块之中，那就将其放入内存块
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，时间数组为2 1 0 ，所以置换的是内存块0的内容
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，时间数组为0 2 1 ，所以置换的是内存块1的内容
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，时间数组为1 0 2 ，所以置换的是内存块2的内容
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，时间数组为2 1 0 ，所以置换的是内存块0的内容
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，时间数组为1 0 3 ，所以置换的是内存块2的内容

所以总计置换次数为5 缺页次数为5+3=8次

所以缺页率为8/10*100%=80%

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结果分析：

置换只发生于内存块满了，而且内存块中没有与页面相同的数据，换的是未来长时间或者永远不再使用的页面，也就是future数组中数据最大的那一项,当然还有一个小技巧就是从当前位置往后看，观察哪个页面现在内存块中存的页面离的最远，当然如果没有的话就相当于无限远。

3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 内存块没有满并且访问的页面不在内存块之中，那就将其放入内存块
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 ，3和5都有了而1没有那就相当于1在未来都不会使用到了，那就置换页面1的内存块
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，3 5 1 4 0 3 5 5 0 4，4离本位置最远，所以置换的是页面4的内存块
3 5 1 4 0 3 5 5 0 4 发生置换，3 5 1 4 0 3 5 5 0 4，由于4是最后一个访问序列，所以3 5 0往后的位置都是无限远，那么置换的就是第一个页面3的内存块了

所以总计置换次数为3 缺页次数为3+3=6次

所以缺页率为6/10*100%=60%

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结果分析：

置换只发生于内存块满了，而且内存块中没有与页面相同的数据，换的是最近没有访问过的页面。而CLOCK算法采用的是循环数组，所以如果访问到该页面，该页面的clcok数组中标志为1，同时下一次的访问也是从下一个下标开始。如果访问的页面不在内存中但是内存都是访问过的也就是全为1，那么将所有的访问位设置为0，也就是说置换的必定是当前的页面，而且置换后只有当前的clock值为1；而如果内存中有没访问过的也就是clock中有0的，那就转那个页面，同时那个页面的clock设置为1。也就是有0换0，没0全变0，自己变1。

2 4 3 4 0 2 5 2 4 0 内存块没有满并且访问的页面不在内存块之中，那就将其放入内存块
2 4 3 4 0 2 5 2 4 0发生置换，因为上一次clock中为1 1 1，而上次访问的是页面4，也就是内存块1，那这次访问的就是内存块2，然后只将该内存块的访问位设置为1，其他设置为0
2 4 3 4 0 2 5 2 4 0 发生置换，因为上一次clock中为1 0 1 ，上次访问的是内存块0，这次访问的是内存块1，内存块1刚好访问位为0，就直接置换内存块1的内容
2 4 3 4 0 2 5 2 4 0 发生置换，因为上一次clock中为1 1 1，而上次访问的是页面2，也就是内存块0，那这次访问的就是内存块1，然后只将该内存块的访问位设置为1，其他设置为0

所以总计置换次数为3 缺页次数为3+3=6次

缺页率为6/10*100%=60%

【操作系统--页面置换算法】C语言详解--大作业版（附代码）

FIFO中的Belady异常

随着资源分配的数量增多，缺页率反而增多了，这并非是我们预期的结果

【操作系统--页面置换算法】C语言详解--大作业版（附代码）

结果分析

可以看到从分配3个物理内存块到分配4个物理内存块，其缺页率从75%增到83.3%，也就是发生了Belady异常。

五、实验总结

1对于FIFO算法的思考

我是运用了一个变量标志上一次页面置换是在什么位置，但是在做题的时候往往使用划分的方法，如果是分配的内存块是3，那就将访问序列3个3个划分为一组，再看某个访问页面在小组中是在什么位置，那就置换哪个内存块。基于这样的思想，所以我还想到一种做法是置换的页面为【操作系统--页面置换算法】C语言详解--大作业版（附代码）

此外它页面置换确实非常的简单直接，但是它却出现了Belady异常。比如上面的案例中，FIFO发生Belady的最主要的原因是3 2 1 0 3 2 4 3 2 1 0 4 在访问页面4的时候，分配4个内存块的FIFO是把3置换出去了，而分配3个内存块的FIFO没有把3置换出去，但是访问的下一个页面却是3，所以分配4个内存块的页面置换次数更多。

自得知，若分配资源时只是盲目的增加容量，却不考虑其的频率等情况，可能会适得其反。

2.对于OPT算法的思考

我使用了一个future数组记录内存块中的页面距离将来使用的距离。但是实际上在做题的时候我想到还可以直接从访问序列中观察，就是从当前的页面往后找与内存块中最晚相同的页面。

自得知，分配资源的时候需考虑将来使用情况。

3对于LRU算法的思考

它与OPT算法很类似，OPT算法是基于当前页面往后序列的情况，而LRU算法是基于当前页面之前的序列的情况。虽然说两者的准确率都比较高，但是两者在现实中难以实现。此外LRU存储time数组进行记录数据确实很麻烦。

自得知，分配资源的时候需考虑先前使用情况。

4对于CLOCK算法的思考

它就像一个时钟，使得每一个页面都可以平等的考虑到，与CPU资源调度中的RR算法类似。

5对于代码缺点的思考

本次代码只是根据最重要的原理进行简单页面置换，而实际上的虚拟内存中的资源变化还需要看页面有没有修改过，也就是说页表项可以有很多其他的指标，如果考虑了其他的指标，那么页面置换算法还有很高的提高空间。

6对于预期目的的思考

总体来说，本实验已达作者预期。将本次实验算法思想与CPU资源调度，银行家PV操作，连续型的内存调度，等操作系统的其他资源类调配知识进行对比，其共通之处着实有意思文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-462061.html

六、实验代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>
#define MAX_VISIRNUM 100 
void ShowVisit(int a[],int num)
{
	printf("访问序列:"); 
	for(int i=0;i<num;i++)
	{
          printf("%2d",a[i]);
	}
	printf("\n");
}
void ShowRam(int a[],int num)
{
	printf("内存块:"); 
	for(int i=0;i<num;i++)
	{
          printf("%3d",a[i]);
	}
	printf("\n");
}
void ShowFinal(int replaceNum,int lackingNum,int VisitNum)
{
	printf("\n缺页次数：%3d\n",lackingNum);
	printf("置换次数：%3d\n",replaceNum);
	printf("缺页率：%.2f%%\n",lackingNum*1.0/VisitNum*100);
	printf("命中率: %.2f%%\n",(1-lackingNum*1.0/VisitNum)*100);
}

void Init(int a[],int num)
{for(int i=0;i<num;i++){a[i]=-1; }} 

int searchfuture(int fork[] ,int now,int VisitNum,int nowmessage)
{
	int i =now+1;
	for(i;i<VisitNum;i++)
	{
		if(fork[i]==nowmessage)
		{
			return i;
		 } 
	} 
	return 1000;
}
void FIFO(int fork[], int PageNum, int PhyNum, int VisitNum)
{
	printf("********************************************************************************\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("*                                 FIFO算法                                     *\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("********************************************************************************\n");
	int ram[PhyNum]; Init(ram,PhyNum);
	int point=0;
	int judge=-1;
	int replaceNum = 0;//置换次数 
    int lackingNum = 0;//缺页次数 
    for(int i =0;i<VisitNum;i++)
	{
		for(int j=0;j<PhyNum;j++)
		{
			if(ram[j]==fork[i]) //一旦在内存之内，直接输出 
			{
				printf("访问内存%d：",fork[i]);
	           	ShowRam(ram,PhyNum);
	           	judge=1;
				break; 
			}
			if(ram[j]==-1)//不在内存之中并且没有满 ，也直接输出 
			{
				ram[j]=fork[i];
				lackingNum++; 
				printf("访问内存%d：",fork[i]);
		        ShowRam(ram,PhyNum);
		        judge=1;
				break; 
			}
		}
		if(judge==-1){ 
		ram[point]=fork[i];                    //在内存之内并且已经满了，FIFO置换 
		point=(point+1)%PhyNum;
		replaceNum++;
		lackingNum++;
		printf("访问内存%d：",fork[i]);
		ShowRam(ram,PhyNum);
	 	}
	 	judge=-1; 
	 } 
	 ShowFinal( replaceNum, lackingNum, VisitNum); 
} 

void LRU(int fork[], int PageNum, int PhyNum, int VisitNum)
{
	printf("********************************************************************************\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("*                                  LRU算法                                     *\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("********************************************************************************\n");
	int ram[PhyNum];Init(ram,PhyNum);
	int time[PhyNum];Init(time,PhyNum);//time记录的是已经有的块号多久没使用了 
    int judge=-1;
	int replaceNum = 0;//置换次数 
    int lackingNum = 0;//缺页次数 
    
    for(int i =0;i<VisitNum;i++)
	{
		for (int k=0;k<PhyNum;k++)
		{
			if(time[k]!=-1){time[k]++;}
		}
		for(int j=0;j<PhyNum;j++)
		{
			if(ram[j]==fork[i]) //一旦在内存之内，直接输出 
			{
				printf("访问内存%d：",fork[i]);
	           	ShowRam(ram,PhyNum);
	           	printf("time:");time[j]=0;for(int op=0;op<PhyNum;op++){printf("%2d",time[op]);}printf("\n");
	           	judge=1;
				break; 
			}
			if(ram[j]==-1)//不在内存之中并且没有满 ，也直接输出 
			{
				ram[j]=fork[i];
				lackingNum++; 
				printf("访问内存%d：",fork[i]);
		        ShowRam(ram,PhyNum);
		        time[j]=0;
		        judge=1;
				printf("time:");for(int op=0;op<PhyNum;op++){printf("%2d",time[op]);}printf("\n");
				break; 
			}
		}
		if(judge==-1){                     //在内存之内并且已经满了，LRU置换 
		int max=0;
		for (int k=0;k<PhyNum;k++)
		{
			if(time[k]>time[max])
			max=k;
		}
		ram[max]=fork[i];
        time[max] = 0;
		replaceNum++;
		lackingNum++;
		printf("访问内存%d：",fork[i]);
		ShowRam(ram,PhyNum);
		printf("time:");for(int op=0;op<PhyNum;op++){printf("%2d",time[op]);}printf("\n");
	 	}
	 	judge=-1; 
	 } 
	 ShowFinal( replaceNum, lackingNum, VisitNum); 
} 
 
void OPT(int fork[], int PageNum, int PhyNum, int VisitNum)
{
	printf("********************************************************************************\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("*                                  OPT算法                                     *\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("********************************************************************************\n");
	int ram[PhyNum];Init(ram,PhyNum);
	int future[PhyNum];Init(future,PhyNum);//future记录的是未来多久要使用到 
    int judge=-1;
	int replaceNum = 0;//置换次数 
    int lackingNum = 0;//缺页次数 
    
    for(int i =0;i<VisitNum;i++)
	{

		for(int j=0;j<PhyNum;j++)
		{
			if(ram[j]==fork[i]) //一旦在内存之内，直接输出 
			{
				printf("访问内存%d：",fork[i]);
	           	ShowRam(ram,PhyNum);
	           	future[j]=searchfuture(fork,i, VisitNum,ram[j]);
	           	judge=1;
				break; 
			}
			if(ram[j]==-1)//不在内存之中并且没有满 ，也直接输出 
			{
				ram[j]=fork[i];
				lackingNum++; 
				printf("访问内存%d：",fork[i]);
		        ShowRam(ram,PhyNum);
		        judge=1;
	           	future[j]=searchfuture(fork,i, VisitNum,ram[j]);
				break; 
			}
		}
		if(judge==-1){                     //在内存之内并且已经满了，LRU置换 
		int max=0;
		for (int k=0;k<PhyNum;k++)
		{
			if(future[k]>future[max])
			max=k;
		}
		ram[max]=fork[i];
        future[max] = searchfuture(fork,i, VisitNum,ram[max]);
		replaceNum++;
		lackingNum++;
		printf("访问内存%d：",fork[i]);
		ShowRam(ram,PhyNum);
	 	}
	 	judge=-1; 
	 } 
	 ShowFinal( replaceNum, lackingNum, VisitNum); 
    
    
}

void CLOCK(int fork[], int PageNum, int PhyNum, int VisitNum)
{
	printf("********************************************************************************\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("*                                 CLOCK算法                                    *\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("********************************************************************************\n");
	int ram[PhyNum];Init(ram,PhyNum);
	int clock[PhyNum];
	int replaceNum = 0;//置换次数 
    int lackingNum = 0;//缺//time记录的是访问号  
	int point=0;//指向循环队列中当前的位置
	int num=0;//统计循环查找的次数
	int NUM=0;//初始内存块有没有满  
	for(int pp =0;pp<PhyNum;pp++){clock[pp]=0;} 
    int judge=-1;   
    for(int i =0;i<VisitNum;i++)
	{	
		if(NUM!=PhyNum)
		{ 
			for(int j=0;j<PhyNum;j++)
			{
				if(ram[j]==fork[i]) //初始内存没满的时候，一旦在内存之内，直接输出 
				{
					printf("访问内存%d：",fork[i]);
	       	    	ShowRam(ram,PhyNum);
	       	    	clock[j]=1;
					printf("1clock:");for(int op=0;op<PhyNum;op++){printf("%2d",clock[op]);}printf("\n"); 
	       	    	judge=1;
					break; 
				}
				if(ram[j]==-1)//初始内存没满的时候，不在内存之中并且没有满 ，也直接输出 
				{ NUM++;
				  ram[j]=fork[i];
				  lackingNum++; 
			      printf("访问内存%d：",fork[i]);
		     	  ShowRam(ram,PhyNum);
		      	  clock[j]=1;
		      	  printf("2clock:");for(int op=0;op<PhyNum;op++){printf("%2d",clock[op]);}printf("\n");
		      	  judge=1;
			      break; 
				}
			}
		}
		else
		{   num=0;
			while(num!=PhyNum)
			{	
				if(ram[point]==fork[i]) //初始内存已经满了，一旦在内存之内，直接输出 
				{
				printf("访问内存%d：",fork[i]);
	           	ShowRam(ram,PhyNum);
	           	clock[point]=1;
				printf("3clock:");for(int op=0;op<PhyNum;op++){printf("%2d",clock[op]);}printf("\n"); 
	           	judge=1;
	           	point=(point+1)%PhyNum;	
				break; 
				}
				num++;
				point=(point+1)%PhyNum;
			}
			int num=0;
			if(judge==-1)
			{     //-1说明不在内存中，1代表在内存中 
			while(num!=PhyNum)//第一遍循环找访问为0；
			{	
				if(clock[point]==0)
				{
					ram[point]=fork[i];
					clock[point]=1;
					replaceNum++;
			   		lackingNum++;//页次数 
			   		printf("访问内存%d：",fork[i]);
					ShowRam(ram,PhyNum);
					printf("4clock:");for(int op=0;op<PhyNum;op++){printf("%2d",clock[op]);}printf("\n");
					point=(point+1)%PhyNum;	
					break;
				 }
				point=(point+1)%PhyNum;
				num++; 	
			}
			
			if(num==PhyNum)
			{   
				for(int pp =0;pp<PhyNum;pp++){clock[pp]=0;}//第二遍循环先将访问为都置为0，再一个个找过去 
				ram[point]=fork[i];
				clock[point]=1;
				point=(point+1)%PhyNum;
				printf("访问内存%d：",fork[i]);
			    ShowRam(ram,PhyNum);
				printf("5clock:");for(int op=0;op<PhyNum;op++){printf("%2d",clock[op]);}printf("\n");
				replaceNum++;
			   	lackingNum++;
			}
		 	}
	 	}
	 	
	 	judge=-1;
	}	
	ShowFinal( replaceNum, lackingNum, VisitNum); 	  
}

int main()
{
	printf("********************************************************************************\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("*                   老师好，这是我的大作业，页面置换算法                       *\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("*                                                                              *\n");
	printf("********************************************************************************\n\n");

	int PageNum;                 //页面数量 
	int PhyNum;                 //物理块数量  
	int VisitNum;              //访问序列的长度
	int Visit[MAX_VISIRNUM];
	printf("请输入页面数量\n");
	scanf("%d",&PageNum);
	printf("请输入内存物理块数\n");
	scanf("%d",&PhyNum);
	printf("请输入访问序列长度\n");
	scanf("%d",&VisitNum);	
	
	srand((unsigned)time(NULL));      //随机访问序列 
	for(int i =0;i<VisitNum;i++)
	{
		Visit[i]=rand()%PageNum;
	}
	ShowVisit(Visit,VisitNum);
	
    while (1) {
		int fork[VisitNum];          //fork数组就是复制了Visit数组，相当于初始化随机序列 
		for(int i =0;i<VisitNum;i++)
		{
			fork[i]=Visit[i];
		} 
        printf("请选择你想使用的置换算法:\n");
        printf("1.FIFO 2.LRU 3.OPT 4.CLOCK 5.Belady&&FIFO 6.SIGN OUT\n");
        int want;
        scanf("%d",&want);
        switch (want) {
            case 1:
            	ShowVisit(Visit,VisitNum);
                FIFO(fork, PageNum, PhyNum, VisitNum);printf("\n"); 
                break;
            case 2:
                ShowVisit(Visit,VisitNum);
                LRU(fork, PageNum, PhyNum, VisitNum); printf("\n"); 
                break;
            case 3:
                ShowVisit(Visit,VisitNum);
                OPT(fork, PageNum, PhyNum, VisitNum);printf("\n"); 
                break;
            case 4:
                ShowVisit(Visit,VisitNum);
                CLOCK(fork, PageNum, PhyNum, VisitNum);printf("\n"); 
                break;
            case 5:
			    ShowVisit(Visit,VisitNum);
			    printf("Belady\n");
                FIFO(fork, PageNum, PhyNum+1, VisitNum);printf("\n"); 
                break;			 
			case 6:
				printf("退出");
            	break;     
            default:
                printf("小老弟，你真皮!越界,请重新输入\n");
                break;
        }
    }
    return 0;
 }

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