操作系统实验（5）—— 页面淘汰算法模拟实现与比较
文章目录
- 页面淘汰算法模拟实现与比较
- 1. 实验目的
- 2. 实验内容
- 3. 实验要求
- 4. 实验过程
-
- 4.0 整体设计
-
- 4.0.1 数据结构
- 4.0.2 主要函数
- 4.1 最佳淘汰算法（OPT）
-
- 4.1.1 原理介绍
- 4.1.2 代码实现
- 4.1.3 测试结果
- 4.2 先进先出淘汰算法（FIFO）
-
- 4.2.1 原理介绍
- 4.2.2 代码实现
- 4.2.3 测试结果
- 4.3 最近最久未使用淘汰算法（LRU）
-
- 4.3.1 原理介绍
- 4.3.2 代码实现
- 4.3.3 测试结果
- 4.4 简单Clock 淘汰算法（NRU）
-
- 4.4.1 原理介绍
- 4.4.2 代码实现
- 4.4.3 测试结果
- 4.5 改进型 Clock 淘汰算法
-
- 4.5.1 原理介绍
- 4.5.2 代码实现
- 4.5.3 测试结果
- 4.6 算法性能对比
- 5. 心得体会
- 6. 源代码附录
页面淘汰算法模拟实现与比较
1. 实验目的
理解并掌握主要页面淘汰算法的设计和实现要旨。
2. 实验内容
利用标准 C 语言，编程设计与实现最佳淘汰算法、先进先出淘汰算法、最近最久未使用淘汰算法、简单 Clock 淘汰算法及改进型 Clock 淘汰算法，并随机发生页面访问序列开展有关算法的测试及性能比较。
3. 实验要求
本实验课题功能设计要求如下：
- 编程设计实现最佳淘汰算法OPT、先进先出淘汰算法FIFO、最近最久未使用淘汰算法LRU、简单Clock 淘汰算法及改进型 Clock 淘汰算法；
- 编程设计实现页面访问序列的随机发生机制，包括各页面读写访问方式的设定以满足改进型 Clock 淘汰算法的要求；
- 在执行进程和访问各页面过程中，每访问一个（或一次）页面应显示输出当时的进程页表内容（包括页号、物理块号、状态位、读/写访问方式等字段）及本次页面访问操作情况（譬如页面已在内存或触发缺页中断）；
- 基于相同的条件，包括系统均采用固定分配局部置换策略、相同的进程逻辑地址空间大小（暨逻辑页面数，设进程逻辑地址空间的页面总数为 N，则其页号取值区间为[0, N)）、分配给进程同样多的物理块（设进程分配获得 S 个物理块，则相应物理块号分别标记为 PF0、PF1、……、PFS-1）、相同的页面访问序列（整数序列，整数取值区间为[0, N)）、均预装入前三个页面，进行有关算法的测试；
- 变换上述条件实施多次测试，统计分析和比较有关算法的性能（譬如缺页率、淘汰页查找时间开销）。
关于页面访问序列随机发生机制的设计思想：
- 初始化进程逻辑地址空间页面总数 N、各逻辑页面的读写访问方式（是否支持写访问，即 R、RW）、工作集起始页号 s（s∈[0, N)）、工作集中包含的页数 w，工作集移动速率 v（每处理 v 个页面访问，就将工作集起始页号递增即 s+1）以及一个取值区间为[0, 1]的值 t；
- 生成取值区间为[s, min(s+w, N-1)]的 v 个随机数并添加保存到页面访问序列中，同 时为每次页面访问分别生成一个取值区间为[0, 1]的随机数，若该随机数值大于 0.7 且对应所访问页面支持写访问则设定以写方式访问相应页面，否则以读方式访问对应页面；
- 生成取值区间为[0, 1]的一个随机数 r，并比较 r 与 t 的大小；
- 若 r < t，则为 s 生成一个新值（s∈[0, N)），否则 s = (s + 1) mod N；
- 如果想继续加大页面访问序列的长度，返回第 2 步，否则结束。
4. 实验过程
4.0 整体设计
4.0.1 数据结构
- 页表结构设计
假设虚拟内存的地址是16位，页面大小为1K，则进程的大小为 2 16 = 64 K B 2^{16}=64KB 216=64KB
分 页 个 数 = 进 程 的 大 小 页 面 的 大 小 = 逻 辑 地 址 表 示 的 大 小 页 面 的 大 小 = 2 16 B 1 K B = 2 6 页 分页个数=\frac{进程的大小}{页面的大小}=\frac{逻辑地址表示的大小}{页面的大小}=\frac{2^{16B}}{1KB}=2^{6}页 分页个数=页面的大小进程的大小=页面的大小逻辑地址表示的大小=1KB216B=26页
因此页号P占用前6位，页内偏移量W=16-6=10位。每一个页表项占用2B,因此页表存储空间需要 2 6 ∗ 2 B = 128 B 2^6*2B=128B 26∗2B=128B
页面结构以及页表项设计如下：
struct PageInfo //页面信息结构
{
int pages[MAX]; // 模拟的最大访问页面数
int isVisited; // 标志位，0表示无页面访问数据
int page_missing_num; // 缺页中断次数
int allocated_page_num; // 分配的页框数
int visit_list_length; // 访问页面序列长度
} pInfo;
struct MemInfo // 页表项信息
{
int time; //记录页框中数据的访问次数
int isVisit;//访问位
int isModify;//修改位
int pages;//页号
}mInfo;
- 关键全局变量
MemInfo pageList[MAX]; // 分配的页框
int page_loss_num = 0; // 缺页次数
int current_page; //页面访问指针
int replace_page; //页面替换指针
int is_loss_page; //缺页标志:1->缺页,0->命中
4.0.2 主要函数
Init初始化
void Init()
{
int i, pn;
is_loss_page = 0; //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
pInfo.page_missing_num = 0; // 缺页次数
pInfo.isVisited = 0; // 标志位，0表示无页面访问数据
printf("请输入分配的页框数："); // 自定义分配的页框数
scanf("%d", &pn);
pInfo.allocated_page_num = pn;
for (i = 0; i < MAX; i++) // 清空页面序列
{
pInfo.pages[i] = -1;
}
}
getRandomList随机生成访问序列
算法流程如下：
- 确定虚拟内存的尺寸N，工作集的起始位置p，工作集中包含的页数e，工作集移动率m（每处理m个页面访问则将起始位置p +1），
- 以及一个范围在0和1之间的值t；
- 生成m个取值范围在p和p + e间的随机数，并记录到页面访问序列串中；
- 生成一个随机数r，0 ≤ r ≤ 1；如果r < t，则为p生成一个新值，否则p = (p + 1) mod N；
- 如果想继续加大页面访问序列串的长度，请返回第2步，否则结束。
具体实现如下：
void getRandomList(int m, int e, int s)
{
int pl;
Init(); //初始化
printf("请输入访问序列的长度：");
scanf("%d", &pl); //随机生成访问序列的长度
pInfo.visit_list_length = pl;
srand((unsigned)time(NULL)); // 随机种子
int p = rand() % MAX; //在0——MAX范围内随机初始化工作集的起始位置p
int i, j=0;
double t= rand() % 10 / 10.0; // 一个范围在0和1之间的值t
for (i = 0; i < s; i++) // 重复s次
{
if (j > pInfo.visit_list_length) // 不能超过访问序列的长度
break;
for (j = i * m; j < (i + 1) * m; j++)//生成m个取值范围在p~p + e间的随机数
{
pInfo.pages[j]= (p + (rand() % e)) % MAX; //并记录到页面访问序列串中；
}
double r = (rand() % 10) / 10.0;// 生成一个范围在0-1之间的随机数r
if (r < t) // 如果r < t，则为p生成一个新值
p = rand() % MAX;
else
{
p = (p + 1) % MAX; //否则向后循环移位
}
}
}
showState跟踪显示状态信息
算法流程如下：
- 如果
current_page=0, 则说明当前页面指针处于起始位置，则首先遍历pInfo.pages[i]数组，打印页面的访问序列。其具体格式为每行显示10个等访问的页面。 - 打印当前要访问的页号
- 打印当前页框内已经有的页面号
- 通过
is_loss_page判断是否发生中断。如果发生中断，则用缺页数/已访问的页面数计算得到缺页率并显示给用户。
具体实现如下：
void showState(void)
{
int i, n;
if (current_page == 0)
{
printf("\n~~~~~~~~~~~~~~~~~页面访问序列~~~~~~~~~~~~~~~~~\n");
for (i = 0; i < pInfo.visit_list_length; i++)
{
printf("%4d", pInfo.pages[i]);
if ((i + 1) % 10 == 0) printf("\n"); //每行显示10个
}
printf("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\n");
}
printf("访问%3d -->内存空间[", pInfo.pages[current_page]); // 访问当前页面信息
for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 页框信息
{
if (pageList[n].pages >= 0)
printf("%3d", pageList[n].pages);
else
printf(" ");
}
printf(" ]");
if (is_loss_page == 1) //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
{
printf(" --> 缺页中断 --> ");
if (current_page == 0)
{
printf("缺页率 = %3.1f", (float)(pInfo.page_missing_num) * 100.00 );
}
else{
printf("缺页率 = %3.1f", (float)(pInfo.page_missing_num) * 100.00 / current_page); }
}
printf("\n");
}
isExist查找页面是否已经在内存中
算法流程如下：
- 遍历所有在内存中的页面，同时使得访问次数加1
- 然后再次遍历内存，寻找匹配页号的页表项
- 如果找到该页表项，则置
is_loss_page缺页标志=0（不缺页），同时访问次数time也置为0，然后通过随机生成的0或者1，来设置该访问页面是否被修改。并返回1。 - 如果没有找到该页面，则缺页中断的次数+1，同时返回0。
int isExist(int page)
{
int n;
for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
pageList[n].time++; // 访问次数加1
for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
{
if (pageList[n].pages == page)
{
is_loss_page = 0; //is_loss_page缺页标志=0（不缺页）
pageList[n].time = 0; //置访问次数为0
pageList[n].isVisit = 1; // 访问标志
if (randBool()) {
pageList[n].isModify = 1; // 修改标志
}
return 1;
}
}
is_loss_page = 1; //页面不存在，缺页
return 0;
}
其中调用了randBool()函数，随机的生成0或者1，其具体实现如下
bool randBool()
{
if ((rand() % 2 + 1) == 1)
return true;
else
return false;
}
4.1 最佳淘汰算法（OPT）
4.1.1 原理介绍
算法规则：选择永不使用或是在最长时间内不再被访问（即距现在最长时间才会被访问）的页面淘汰出内存。
假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下页面访问序列：
[7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1]
进程运行时，先将7, 0, 1三个页面依次装入内存。进程要访问页面2时，产生缺页中断，根据最佳置换算法，选择第18次访问才需调入的页面7予以淘汰。然后，访问页面0时，因为已在内存中所以不必产生缺页中断。访问页面3时又会根据最佳置换算法将页面1淘汰……依此类推。
| 页面 | 7 | 0 | 1 | 2 | 0 | 3 | 0 | 4 | 2 | 3 | 0 | 3 | 2 | 1 | 2 | 0 | 1 | 7 | 0 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 页面1 | 7 | 7 | 7 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 7 | |||||||||||
| 页面2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 4 | 0 | 0 | 0 | ||||||||||||
| 页面3 | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 | 1 | 1 | |||||||||||||
| 缺页 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
4.1.2 代码实现
算法流程图如下：
OPT 算法具体实现如下：
void OPT()
{
int n, full, status;
replace_page = 0; // 页面替换指针初始化为0
page_loss_num = 0; // 缺页数初始化为0
full = 0; // 已经占用的页框数
is_loss_page = 0; //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
pageList[n].pages = -1;
for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++) // 遍历所有的访问页面
{
status = isExist(pInfo.pages[current_page]); //查找页面是否在内存
if (full < pInfo.allocated_page_num) // 当已经占用的页框数< 分配的页框数时，则不可能发生缺页
{
if (status == 0) // 页不存在则装入页面
{
pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page]; // 当前位置放入新的页面
replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num; //循环后移一位
full++; // 已经装入的页面数+1
}
}
else // 页框已经满，缺页置换
{
if (status == 0) // 页不存在则置换页面
{
int min,max = 0 ; //很大的数
for (int m = 0; m < pInfo.allocated_page_num ; m++) // 遍历页框中以占用的页号
{
min = 1000;
for (int n = current_page; n < pInfo.visit_list_length; n++)// 向后查找访问序列
{
if (pInfo.pages[n] == pageList[m].pages) // 找到在当前内存出现过的页面
{
min = n;
break;
}
}
if (max < min)
{
max = min;
replace_page = m; // 距离当前页面最远的被置换
}
}
pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page]; // 置换动作
replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
pInfo.page_missing_num++; // 置换次数加1
}
}
Sleep(10);
showState(); // 显示当前状态
} // 置换算法循环结束
_getch();
return;
}
4.1.3 测试结果
- 初始化设置
- m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；
- 选择算法1：最佳淘汰算法OPT
- 页面置换过程
- 当发生缺页中断，需要置换时，所选择的被淘汰页面将是以后永不使用的，或者是在最长时间内不再被访问的页面。验证了程序的正确性。
- 置换率=42.1% 运行时长=0.327s
4.2 先进先出淘汰算法（FIFO）
4.2.1 原理介绍
算法规则：在发生页面替换时，被替换的对象应该是最早进入内存的。
仍然采用上述的例子，此时页面置换过程如下表所示
| 页面 | 7 | 0 | 1 | 2 | 0 | 3 | 0 | 4 | 2 | 3 | 0 | 3 | 2 | 1 | 2 | 0 | 1 | 7 | 0 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 页面1 | 7 | 7 | 7 | 2 | 2 | 2 | 4 | 4 | 4 | 0 | 0 | 0 | 7 | 7 | 7 | |||||
| 页面2 | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | ||||||
| 页面3 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 1 | |||||||
| 缺页 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
4.2.2 代码实现
-
FIFO算法流程图如下所示：
-
FIFO页面置换算法具体实现如下：
void FIFO(void)
{
int n, full, status;
replace_page = 0; // 页面替换指针初始化为0
page_loss_num = 0; // 缺页数初始化为0
full = 0; // 是否装满是所有的页框
for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
pageList[n].pages = -1;
is_loss_page = 0; //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++) // 执行算法
{
status = isExist(pInfo.pages[current_page]); //查找页面是否在内存
if (full < pInfo.allocated_page_num) // 开始时不计算缺页
{
if (status == 0) // 页不存在则装入页面
{
pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
full++;
}
}
else // 正常缺页置换
{
if (status == 0) // 页不存在则置换页面
{
pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
pInfo.page_missing_num++; // 缺页次数加1
}
}
Sleep(10);
showState(); // 显示当前状态
} // 置换算法循环结束
_getch();
return;
}
4.2.3 测试结果
-
初始化设置
-
m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；
-
选择算法2：先进先出淘汰算法
-
-
置换过程
- 从如下测试结果可以看出，当需要淘汰一个页面时，总是选择驻留主存时间最长的页面进行淘汰，即先进入主存的页面先淘汰。证明了程序的正确性
- 置换率=63.2 运行时长=0.327
4.3 最近最久未使用淘汰算法（LRU）
4.3.1 原理介绍
算法规则：在发生页面替换时，被替换的页面应该满足，在之前的访问队列中，该对象截止目前未被访问的时间最长。
仍然采用上述的例子，此时页面置换过程如下表所示
| 页面 | 7 | 0 | 1 | 2 | 0 | 3 | 0 | 4 | 2 | 3 | 0 | 3 | 2 | 1 | 2 | 0 | 1 | 7 | 0 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 页面1 | 7 | 7 | 7 | 2 | 2 | 4 | 4 | 4 | 0 | 1 | 1 | 1 | ||||||||
| 页面2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 | 3 | 0 | 0 | |||||||||
| 页面3 | 1 | 1 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 7 | ||||||||||
| 缺页 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
4.3.2 代码实现
- LRU算法流程图如下：
LRU页面置换算法具体实现如下：
void LRU(void)
{
int n, full, status, max;
replace_page = 0; // 页面替换指针
page_loss_num = 0; // 缺页次数初始化为0
full = 0; // 是否装满所有的页框
for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
{
pageList[n].pages = -1; // 清除页框信息
pageList[n].time = 0; // 清除页框历史
}
is_loss_page = 0; //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++) // 执行算法
{
status = isExist(pInfo.pages[current_page]); //查找页面是否在内存
if (full < pInfo.allocated_page_num) // 开始时不计算缺页
{
if (status == 0) // 页不存在则装入页面
{
pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page]; //把要调入的页面放入一个空的页框里
replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
full++;
}
}
else //正常缺页置换
{
if (status == 0)//页不存在则置换页面
{
max = 0;
for (n = 1; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
{
if (pageList[n].time > pageList[max].time)
{
max = n;
}
}
replace_page = max;
pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
pageList[replace_page].time = 0;
pInfo.page_missing_num++; // 缺页次数加1
}
}
Sleep(10);
showState(); // 显示当前状态
} // 置换算法循环结束
_getch();
return;
}
4.3.3 测试结果
-
初始化设置
-
m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；
-
选择算法3：先进先出淘汰算法
-
-
页面置换过程
- 如下图可以看出，当需要淘汰一个页面时，总是选择在最近一段时间内最久不用的页面予以淘汰。证明了程序的正确性。
- 置换率=57.9 运行时长=0.33
4.4 简单Clock 淘汰算法（NRU）
4.4.1 原理介绍
算法规则：简单的CLOCK算法实现方法:为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置为1。当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出;如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面，若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面，因此简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描)
4.4.2 代码实现
- 简单CLOCk算法流程图如下：
- 算法具体实现如下：
CLOCK_pro 是CLOCK算法的入口参数，其中会传入参数choose。当choose =1时采用改进的clock算法，当choose =0时采用基本的clock算法。
void CLOCK_pro(int choose)
{
int n, full, status;
int num = -1;
replace_page = 0; // 页面替换指针初始化为0
page_loss_num = 0; // 缺页数初始化为0
full = 0; // 是否装满是所有的页框
for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
{
pageList[n].pages = -1;
pageList[n].isModify = 0;
pageList[n].isVisit = 0;
pageList[n].time = 0;
}
is_loss_page = 0; //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++) // 执行算法
{
status = isExist(pInfo.pages[current_page]); //查找页面是否在内存
if (full < pInfo.allocated_page_num) // 开始时不计算缺页
{
if (status == 0) // 页不存在则装入页面
{
pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
pageList[n].isVisit = 1;
full++;
}
}
else // 正常缺页置换
{
if (status == 0) // 页不存在则置换页面
{
if(choose==1)
replace_page = replace_page_pro(++num); // 当choose =1时采用改进的clock算法
else if(choose==0)
replace_page = replace_page_clock(++num); // 当choose =0时采用基本的clock算法
pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
pageList[replace_page].isVisit = 1;
pInfo.page_missing_num++; // 缺页次数加1
}
}
Sleep(10);
showState(); // 显示当前状态
} // 置换算法循环结束
_getch();
return;
}
然后replace_page_clock 实现了基本CLOCK算法的置换策略，具体代码如下：
int replace_page_clock(int num) {
int j;
// 将所有可能被置换的页面排成一个循环队列,用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态
// 1.当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出;如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面
for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 )
return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
}
//2. 若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面
for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 )
return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
}
}
4.4.3 测试结果
-
初始化设置
-
m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；
-
选择算法4：基本的CLOCK算法
-
-
页面置换过程
- 如下图程序所示，正进行页面置换的过程中，总是优先淘汰未访问的页面。 证明了程序的正确性。
- 置换率=42.1 运行时长=0.323s
4.5 改进型 Clock 淘汰算法
4.5.1 原理介绍
算法规则：简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上，如果被淘汰的页面没有被修改过，就不需要执行I/o操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存。
因此，除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外，操作系统还应考虑页面有没有被修改过。在其他条件都相同时，应优先淘汰没有修改过的页面，避免I/o操作。这就是改进型的时钟置换算法的思想。修改位=o，表示页面没有被修改过;修改位=1，表示页面被修改过。为方便讨论，用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态。如(1，1）表示一个页面近期被访问过，且被修改过。
将所有可能被置换的页面排成一个循环队列
- 从当前位置开始扫描到第一个(0,0)的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
- 若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1)的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0
- 若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
- 若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1）的帧用于替换。由于第二轮已将所有帧的访问位设为0，因此经过第三轮、第四轮扫描一定会有一个帧被选中，因此改进型CLOCK置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描
4.5.2 代码实现
- 改进的CLOCk算法流程图如下
- 代码具体实现如下
int replace_page_pro(int num) {
int j;
// 将所有可能被置换的页面排成一个循环队列,用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态
// 1.从当前位置开始扫描到第一个(0,0)的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 0)
return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
}
//2. 若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1)的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0
for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 1)
return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
}
// 3.若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 0)
return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
}
//4. 若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1）的帧用于替换。
for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 1)
return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
// pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
}
}
4.5.3 测试结果
-
初始化设置
-
m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；
-
选择算法5：改进的CLOCK算法
-
页面置换过程
- 如下图程序所示，正进行页面置换的过程中，总是在每次页面替换时，总是尽可能地先替换掉既未被访问又未被修改的页面。证明了程序的正确性。
- 置换率=42.1 运行时长=0.334s
4.6 算法性能对比
由于上述的生成访问随机序列较小，且只考虑了页框大小为3的情况。因此，需要改变页框数和增大访问序列来对比算法的命中率，并对不同的实验情况的置换率和系统开销求得平均值，统计如下表所示：
| 算法名称 \ 性能 | 置换率 | 系统开销 |
|---|---|---|
| OPT | 25.4% | 431ms |
| FIFO | 43.1% | 336ms |
| LRU | 42.7% | 362ms |
| CLOCK | 35.2% | 384ms |
| CLOCK_pro | 32.6% | 398ms |
-
置换率比较
最佳置换算法 < 改进型clock置换算法
-
系统开销比较
先进先出置换算法 < 最近最久未使用算法 < clock算法<改进型clock置换算法 < 最佳置换算法
5. 心得体会
通过这次实验我更加熟悉了操作系统页面置换算法的流程，并通过编写代码实现了5种置换算法。通过对比其置换率和系统开销，分析出了不同算法的优缺点和特性。同时也提升了我的编程能力，受益匪浅。
6. 源代码附录
#include "windows.h"
#include