操作系统实验13：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

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：
（1）编程设计实现最佳淘汰算法、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；
（2）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；
（3）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）；
（4）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；
（5）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）。

4. 实验思路

实验按照要求进行。随机访问队列由给出的算法计算得出。为了更好的对比各种淘汰算法，生成同一随机访问队列后将同一调用所有淘汰算法进行指标的统计。
页表数据结构将有页号、访问次数、访问模式三个变量。

每个淘汰算法设定一组函数，一个算法函数入口，若干辅助函数。设定命中和不命中不同的显示函数。

生成随机访问队列的函数按实验指导书中编写，不再细表。

5. 程序实现

5.1. 相关环境介绍

操作系统：window 10 21H2
开发环境：Clion-2022.2.1-Windows
编译器：mwing-10.0、

5.2. 主要数据结构

01:struct Page{  
02:    int num;  
03:    int times;  
04:    int mode;  
05://    mode 0 for read, mode 1 for write  
06:};  
07:  
08:struct MemPageControl{  
09:    int allocated_size; // the page size to be allocated to the process  
10:    int missing_num; // num for missing page, the call interruption  
11:    vector<Page> page;  
12:} inside_page;  
13:  
14:struct OutSidePage{  
15:    vector<Page> visit_list;  
16:    int current;  
17:} outside_page;  

Page为页表项。MemPageControl为内存中已有的页表及相关信息。OutSidePage为待访问的页列。

5.3. OPT最佳淘汰算法

函数思路参照ppt。子函数包括预分配函数，判读访问页是否在内存中函数，寻找最佳淘汰页函数，基本参数由config文件读入，最后给出缺页率。

图表 5 1 config文件

结果验证

图表 5 2 OPT测试结果
可以看出通过手动分析，实验结果正确。

5.4. FIFO 先进先出算法

基本相同操作间OPT，不同的是，在page结构体中加入了location when in，记录加入内存时的访问队列索引，这样方便找到，最早加入内存的页号。
随机队列生成预参数保持一致。

结果验证：

图表 5 3 FIFO算法验证
可以看出通过手动分析，实验结果正确。

5.5. LRU算法

利用page 中的location when in 作为上次访问的记录，记录上次访问时，访问队列中的index；miss时index最小的被淘汰。
随机队列生成预参数保持一致。
结果验证：

图表 5 4 LRU算法
可以看出通过手动分析，实验结果正确。

5.6. 简单Clock 淘汰算法（NRU）

借用page中的location when in 代表访问位。这样可以节省空间。具体算法参照ppt和上述算法。

结果验证：

图表 5 5 CLOCK算法验证
结果正确。

5.7. 改进的CLOCK算法

参考了ppt上的讲解，同时针对编码进行了一点算法调整。
最后的算法如下：

• 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

编程结果验证如下：

图表 5 6 CLOCK PRO算法
结果正确。

5.8. 置换率和时间开销的对比

上述代码的实现还是基于单一的随机访问序列，随机数种子也设置成了定值，这样方便验证代码的正确性。我们还可以发现由于访问队列在测试样例中比较小，所有算法的时间开销都是0，这样的结果为我们下边的对边做出了指导。
我们选取了缺页率和淘汰页寻找时间进行对比。（但其实针对每个算法的特性，比如改进的clock算法，主要是为了改进I/O的读写时间，本身的寻找时间上反而不占优势，所以，我们的对比具有一定的局限性）

Test1

图表 5 7 test1参数
由上到下为分配的固定块、总访问页数，工作表移动速率，工作表大小。
结果如下：

algorithm	Missing rate	Time cost	algorithm
CLOCK	0.7324	0	CLOCK
CLOCK_PRO	0.619	0.017	CLOCK_PRO
FIFO	0.59875	0.127	FIFO
LRU	0.59785	0.039	LRU
OPT	0.5891	2.419	OPT

表格 5 1 test1结果

分析一下结果，发先OPT的缺页率是最小的，但是时间确实最长的。时间上应该是最坏的情况需要判断为页表再也不访问，这样需要遍历整个待访问队列，时间复杂度为O(VisitLength * PageMEM)，即访问队列长度与分配的页块之积，复杂度最高。
CLOCK算法和其改进算法，只是在内存中的页表内部进行选取，时间开销最小，这里甚至小到计算不出CLOCK时间，CLOCKpro有更多的开销，时间更长一些。
FIFO和LRU算法主要时间开销主要体现在排序上边。其实，为了实验对比明显，我们的排序部分函数甚至故意通过修改数据结果变成了相同的样式，但是通过结果来看，算法具有不稳定性，二者相差明显。事实上，通过多次实验对比，我们固定了随机数种子来对比，确实时间上忽高忽低，有正负变化。但是从复杂度比较来看，实验结果基本吻合。

6. 实验汇总

6.1. 实验要求完成情况

成功完成实验要求。

6.2. 技术难点及解决方案

发现输出语句中字符串紧跟一个’\t’，是有几率不能生成制表符的，但是多加一个空格就可以正确生成了，还可以自动对齐。
显示函数的格式美化和对齐实验了许多次。
一开始，随机数种子是按时间设定的，每次实验结果不同，无法复现比较，后固定随机数种子，便于比较实验。
一开始，生成队列函数停止条件的判断位置控制不好，当v大于总队列长度时会出现问题。通过学习，在for-loop中加入了符合判断条件。
一开始发现OPT的置换率居然是最高的，这样和理论不合。最后发现是在OPT寻找置换页时，数组初始化出现了问题，把所有的key都初始化为1。

6.3. 实验感想和经验总结

算法结果对比过程中，对排序算法的不稳定性有了更多的理解，同时，也知道了一个算法的性能是多方面的，更多的是看实际中的倾向。

6.4. 参考链接

• ZGSOS操作系统实验指导《实验课题13_页面淘汰算法模拟实现与比较》