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
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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 03 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%
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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 03 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 35 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 4 035 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10 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11 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%
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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
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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
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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，所以这使我想到了CPU资源调度中的RR算法，他们似乎有一些共通点。
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，本实验已然达到了我的预期目的。且将本次实验的算法思想与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，其有共通之处也有不同之处，从而进一步架构我的操作系统知识网络架构
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; }
