页面淘汰算法模拟实现与比较
1.实验目标
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。
2.算法描述
1. 最佳淘汰算法（Optimal Replacement Algorithm）：这种算法选择将来最久不会被访问的页面进行淘汰。实现这个算法需要预知未来的页面访问请求，因此在实际中无法实现，但是我们可以模拟访问序列来比较实现效果。
2. 先进先出淘汰算法（FIFO Replacement Algorithm）：这种算法总是淘汰最早进入内存的页面。实现这个算法可以使用一个队列，新进入的页面放入队尾，需要淘汰页面时总是淘汰队头的页面。
3. 最近最久未使用淘汰算法（LRU Replacement Algorithm）：这种算法淘汰最长时间未被访问的页面。实现这个算法可以使用一个链表，每次页面被访问时，将这个页面移动到链表头，需要淘汰页面时总是淘汰链表尾的页面。
4. 简单 Clock 淘汰算法（Clock Replacement Algorithm）：这种算法将内存中的页面组织成一个环形链表，有一个指针指向最早进入的页面。每次需要淘汰页面时，检查指针指向的页面，如果这个页面最近被访问过，则将其标记清除，指针向前移动，否则淘汰这个页面。
5. 改进型 Clock 淘汰算法（Enhanced Clock Replacement Algorithm）：这是 Clock 算法的改进版，增加了一个修改位用于记录页面是否被修改过。在选择淘汰的页面时，优先选择未被修改且最近未被访问的页面。
3.访问序列模拟
1. 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
2. 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
3. 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
4. 若r < t，则为s 生成一个新值（s∈[0, N)） ，否则s = (s + 1) mod N
5. 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.模拟测试思路
基于相同的条件，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、分配给进程同样多的物理块、相同的页面访问序列、均预装入前三个页面，进行有关算法的测试，预计执行一百轮测试，以轮数为随机数种子，保证结果可以复现。
5.相关数据结构
// 模拟页面
struct PAGE {
int pages[MAXLEN];
int usenum; // 分配的最大页框数
int visitlen; // 访问序列长度
} pinfo;
// 模拟页表
struct MEM {
int time; // 访问记录
int r; // 访问位
int rw; // 修改位
int pages; // 页号
} minfo;
MEM pagelist[MAXLEN]; // 分配页框#include
#include
#include
using namespace std;
const int MAXLEN = 1024; // 最大页面数
const int epoch = 100; // 测试次数
int lossnum; // 缺页次数统计
int now; // 当前访问的页面
int replace; // 页面替换指针
int lossflag; // 是否缺页
int full; // 已使用的页框数
int rate[5][epoch];
int times[5][epoch];
struct PAGE {
int pages[MAXLEN];
int usenum; // 分配的最大页框数
int visitlen; // 访问序列长度
} pinfo;
struct MEM {
int time; // 访问记录
int r; // 访问位
int rw; // 修改位
int pages; // 页号
} minfo;
MEM pagelist[MAXLEN]; // 分配页框
void pageinit() { // 初始化页面数据
pinfo.usenum = 3;
pinfo.visitlen = 256;
for (int i = 0; i < MAXLEN; i++)
pinfo.pages[i] = -1;
}
void visitlist(int epoch) { // 随机生成访问序列
int v = 16, w = 64, s = 128; // v为每个页面访问次数，w为每个页面访问的范围，s为页面访问的起始位置
pageinit();
srand(epoch); // 随机种子
int t= rand() % 11; // 生成t
for(int i = 0, j =0; i < 10; i++) {
for(j = i * v; j < (i + 1) * v; j++) { // 生成v个[s, s+w]的随机数
if(j > pinfo.visitlen) // 生成数量不能超序列长度
break;
pinfo.pages[j]= (s + (rand() % w)) % MAXLEN; // 随机数存储到访问序列中
}
if(rand() % 11 < t) // 如果r < t，则为p生成一个新值
s = rand() % MAXLEN;
else
s = (s + 1) % MAXLEN;
}
}
bool randBool() { // 读写随机数生成函数
if(rand() % 11 > 7) return true;
else return false;
}
bool inram(int page) { // 查找是否在内存
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
pagelist[i].time++; // 访问记录++
}
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
if(pagelist[i].pages == page) {
lossflag = 0; // 不缺页置为0
pagelist[i].time = 0; // 访问记录置0
if(randBool()) {
pagelist[i].r = 1;
pagelist[i].rw = 1;
}
else
pagelist[i].r = 1;
return true;
}
}
lossflag = 1; // 缺页置为1
return false;
}
void OPT() {// 最佳淘汰算法
replace = 0, lossnum = 0, full = 0, lossflag = 0;
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) // 刷新页框
pagelist[i].pages = -1;
for(now = 0; now < pinfo.visitlen; now++) {
if(full < pinfo.usenum) {
if(!inram(pinfo.pages[now])) { // 不在内存则装入页面
pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];
replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;
full++, lossnum++;
}
}
else {
if(!inram(pinfo.pages[now])) { // 不在内存则需置换
int min, max = 0 ; // min为最近访问，max为最远访问
for(int m = 0; m < pinfo.usenum ; m++) {
min = MAXLEN;
for(int n = now; n < pinfo.visitlen; n++) {
if (pinfo.pages[n] == pagelist[m].pages) {
min = n;
break;
}
}
if(max < min) {
max = min;
replace = m;
}
}
pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];
replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;
lossnum++;
}
}
std::this_thread::sleep_for(10ms);
}
}
void FIFO(void) { // 先进先出淘汰算法
replace = 0, lossnum = 0, full = 0, lossflag = 0;
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++)
pagelist[i].pages = -1;
for(now = 0; now < pinfo.visitlen; now++) {
if(full < pinfo.usenum) {
if(!inram(pinfo.pages[now])) {
pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];
replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;
full++, lossnum++;
}
}
else {
if(!inram(pinfo.pages[now])) {
pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];
replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;
lossnum++;
}
}
std::this_thread::sleep_for(10ms);
}
}
void LRU(void) { // 最近最久未使用淘汰算法
replace = 0, lossnum = 0, full = 0, lossflag = 0;
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
pagelist[i].pages = -1;
pagelist[i].time = 0;
} // 刷新页框
for(now = 0; now < pinfo.visitlen; now++) {
if(full < pinfo.usenum) {
if(!inram(pinfo.pages[now])) {
pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];
replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;
full++, lossnum++;
}
}
else {
if(!inram(pinfo.pages[now])) {
int max = 0; // 最久的访问记录
for(int i = 1; i < pinfo.usenum; i++) {
if(pagelist[i].time > pagelist[max].time) {
max = i;
}
}
replace = max;
pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];
pagelist[replace].time = 0;
lossnum++;
}
}
std::this_thread::sleep_for(10ms);
}
}
int replace0(int num) { // 简单Clock置换
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
if(pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 ) // 找到第一个访问位为0的页面
return (i + num) % pinfo.usenum;
pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r = 0; // 未找到则将所有访问位置0
}
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
if(pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 )
return (i + num) % pinfo.usenum;
}
return 0;
}
int replace1(int num) { // 改进的clock置换
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
if (pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 && pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].rw == 0) // 先找访问位和修改位都为0的页面
return (i + num) % pinfo.usenum;
}
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
if (pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 && pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].rw == 1) // 再找访问位为0，修改位为1的页面
return (i + num) % pinfo.usenum;
pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r = 0; // 未找到则将所有访问位置0
}
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
if (pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 && pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].rw == 0) // 再找访问位和修改位都为0的页面
return (i + num) % pinfo.usenum;
}
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
if (pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].r == 0 && pagelist[(i + num) % pinfo.usenum].rw == 1) // 最后找访问位为0，修改位为1的页面
return (i + num) % pinfo.usenum;
}
return 0;
}
void CLOCK(int choose) {
int num = 0;
replace = 0, lossnum = 0, full = 0, lossflag = 0;
for(int i = 0; i < pinfo.usenum; i++) {
pagelist[i].pages = -1;
pagelist[i].rw = 0;
pagelist[i].r = 0;
pagelist[i].time = 0;
}
for(now = 0; now < pinfo.visitlen; now++) {
if(full < pinfo.usenum) {
if(!inram(pinfo.pages[now])) {
pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];
replace = (replace + 1) % pinfo.usenum;
pagelist[replace].r = 1;
full++, lossnum++;
}
}
else {
if(!inram(pinfo.pages[now])) {
if(choose == 1)
replace = replace1(num++); // choose=1,改进clock算法
else if(choose == 0) // choose=0,简单clock算法
replace = replace0(num++);
pagelist[replace].pages = pinfo.pages[now];
pagelist[replace].r = 1;
lossnum++;
}
}
std::this_thread::sleep_for(10ms);
}
}
void calculate(int i, int j, clock_t start) { // 计算缺页率和运行时间
rate[i][j] = (double)(lossnum) * 100 / now;
times[i][j] = (double)(clock() - start) / 1000;
}
int main() {
clock_t start;
for(int i = 0; i < epoch; i++) {
visitlist(i);
start = clock();
OPT();
calculate(0, i, start);
start = clock();
FIFO();
calculate(1, i, start);
start = clock();
LRU();
calculate(2, i, start);
start = clock();
CLOCK(0);
calculate(3, i, start);
start = clock();
CLOCK(1);
calculate(4, i, start);
}
for(int i = 0; i < 5; i++) {
if(i == 0) printf("OPT: ");
if(i == 1) printf("FIFO: ");
if(i == 2) printf("LRU: ");
if(i == 3) printf("CLOCK: ");
if(i == 4) printf("CLOCK+: ");
int avrate = 0, avtime = 0;
for(int j = 0; j < epoch; j++) {
avrate += rate[i][j];
avtime += times[i][j];
}
printf("Average replace rate = %.3lf%% ", (double)(avrate) / epoch);
printf("Average spend time: %.3lfs\n", (double)(avtime) / epoch);
}
return 0;
}
7.运行结果
