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操作系统课程设计任务书

操作系统课程设计任务书. －－存储器管理设计. 1 设计目的. ⑴理解内存页面调度的机理。 ⑵掌握几种理论页面置换算法的实现方法。 ⑶了解 HASH 表数据结构的使用。 ⑷通过课程设计比较各种调度算法的优劣。 页面置换算法是虚拟存储管理实现的关键，通过本次课程设计理解内存页面调度的机制，在模拟实现 FIFO、LRU、NRU 和 OPT 几种经典页面置换算法的基础上，比较各种置换算法的效率及优缺点，从而了解虚拟存储实现的过程。. 2 准备知识. 基本概念 ⑴ C( 或 C++)、 指针、结构体(类) ⑵ HASH( 哈希)表查找方式 ⑶操作系统相关内存交换知识

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  1. 操作系统课程设计任务书 －－存储器管理设计 存储器管理设计 _ 1 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  2. 1 设计目的 ⑴理解内存页面调度的机理。 ⑵掌握几种理论页面置换算法的实现方法。 ⑶了解HASH表数据结构的使用。 ⑷通过课程设计比较各种调度算法的优劣。 页面置换算法是虚拟存储管理实现的关键，通过本次课程设计理解内存页面调度的机制，在模拟实现FIFO、LRU、NRU和OPT几种经典页面置换算法的基础上，比较各种置换算法的效率及优缺点，从而了解虚拟存储实现的过程。 存储器管理设计 _ 2 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  3. 2 准备知识 基本概念 ⑴C(或C++)、指针、结构体(类) ⑵HASH(哈希)表查找方式 ⑶操作系统相关内存交换知识 ⑷用到的Linux函数 ●int getpid() 获得当前进程的id ●void srand(int a) 以a为种子产生随机数 ●int rand() 根据前面的种子，返回一个随机数 存储器管理设计 _ 3 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  4. 3 设计内容 设计一个虚拟存储区和内存工作区，并使用下述算法计算访问命中率。 ⑴先进先出的算法(FIFO) ⑵最近最少使用算法(LRU) ⑶最佳淘汰算法(OPT) ⑷最少访问页面算法(LRU) ⑸最近最不经常使用算法(NUR) 命中率＝(1－页面失效次数)/页地址流长度 设计程序时先用Srand()和rand()函数定义和产生指令序列，然后将指令序列变换成相应的页地址流，并针对不同的算法计算出相应的命中率。 存储器管理设计 _ 4 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  5. 4 设计指导 拥有页面交换机制的操作系统总是把当前进程急需处理的部分页面换入到内存中，而把更多暂时不需要处理的页面放置到外存中。由于进程需要处理的页面顺序不同，因此必须在内存与外存之间进行页面交换，交换算法也就应运而生。 本设计并没有进入系统空间对实际进程进行控制，而是在用户空间用线性表的连续存储方式对进程页面交换进行模拟。 存储器管理设计 _ 5 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  6. 1 FIFO页面置换算法 存储器管理设计 _ 6 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  7. 2 LRU页面置换算法 存储器管理设计 _ 7 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  8. 3 NUR页面置换算法 存储器管理设计 _ 8 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  9. 4 OPT页面置换算法 存储器管理设计 _ 9 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  10. 5 参考源程序代码 #ifndef _PAGE_H #define _PAGE_H class cpage { public: int m_nPageNumber, m_nPageFaceNumber, m_nCounter, m_nTime; }; #endif 存储器管理设计 _ 10 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  11. #ifndef _PAGECONTROL_H #define _PAGECONTROL_H class CpageControl { public: int m_nPageNumber,m_nPageFaceNumber; class CPageControl * m_pNext; }; #endif 存储器管理设计 _ 11 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  12. #ifndef _MEMORY_H #define _MEMORY_H class CMemory { public: CMemory(); void initialize(const int nTotal_pf); void FIFO(const int nTotal_pf); void LRU(const int nTotal_pf); void NUR(const int nTotal_pf); void OPT(const int nTotal_pf); 存储器管理设计 _ 12 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  13. private: vector<CPage> _vDiscPages; vector<CPageControl> _vMemoryPages; CPageControl *_pFreepf_head, *_pBusypf_head, *_pBusypf_tail; vector<int> _vMain,_vPage,_vOffset; int _nDiseffect; }; 存储器管理设计 _ 13 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  14. CMemory::CMemory(): _vDiscPages(TOTAL_VP), _vMemoryPages(TOTAL_VP), _vMain(TOTAL_INSTRUCTION), _vPage(TOTAL_INSTRUCTION), _vOffset(TOTAL_INSTRUCTION) { int S,i,nRand; srand(getpid()*10); 存储器管理设计 _ 14 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  15. nRand=rand()%32767; S=(float)319*nRand/32767+1; for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i+=4) { _vMain[i]=S; _vMain[i+1]=_vMain[i]+1; nRand=rand()%32767; _vMain[i+2]=(float)_vMain[i] *nRand/32767; _vMain[i+3]=_vMain[i+2]+1; nRand=rand()%32767; 存储器管理设计 _ 15 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  16. S=(float)nRand * (318-_vMain[i+2])/ 32767+_vMain[i+2]+2; } for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++) { _vPage[i]=_vMain[i]/10; _vOffset[i]=_vMain[i]%10; _vPage[i]%=32; } } 存储器管理设计 _ 16 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  17. void CMemory::initialize(const int nTotal_pf){ int ix; _nDiseffect=0; for(ix=0;ix<_vDiscPages.size();ix++) { _vDiscPages[ix].m_nPageNumber=ix; _vDiscPages[ix].m_nPageFaceNumber=INVALID; _vDiscPages[ix].m_nCounter=0; _vDiscPages[ix].m_nTime=-1; } for(ix=1;ix<nTotal_pf;ix++) { _vMemoryPages[ix-1].m_pNext=&_vMemoryPages[ix]; _vMemoryPages[ix-1].m_nPageFaceNumber=ix-1; } 存储器管理设计 _ 17 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  18. _vMemoryPages[nTotal_pf-1].m_pNext=NULL; _vMemoryPages[nTotal_pf-1].m_nPageFace Number=nTotal_pf-1; _pFreepf_head=&_vMemoryPages[0]; } void CMemory::FIFO(const int nTotal_pf) { int i; CPageControl *p; initialize(nTotal_pf); _pBusypf_head=_pBusypf_tail=NULL; for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++) { 存储器管理设计 _ 18 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  19. if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber ==INVALID) { _nDiseffect+=1; if(_pFreepf_head==NULL) // 无空闲页面 { p=_pBusypf_head->m_pNext; _vDiscPages[_pBusypf_head->m_nPageNumber] .m_nPageFaceNumber=INVALID; _pFreepf_head=_pBusypf_head; _pFreepf_head->m_pNext=NULL; _pBusypf_head=p; } 存储器管理设计 _ 19 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  20. p=_pFreepf_head->m_pNext; _pFreepf_head->m_pNext=NULL; _pFreepf_head->m_nPageNumber=_vPage[i]; _vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber =_pFreepf_head-> m_nPageFaceNumber; if(_pBusypf_tail==NULL) _pBusypf_head=_pBusypf_tail=_pFreepf_head; else { _pBusypf_tail->m_pNext=_pFreepf_head; _pBusypf_tail=_pFreepf_head; } 存储器管理设计 _ 20 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  21. _pFreepf_head=p; } } cout<<"FIFO: "<<1-(float)_nDiseffect/320; } void CMemory::LRU(const int nTotal_pf) { int i,j,nMin,minj,nPresentTime(0); initialize(nTotal_pf); 存储器管理设计 _ 21 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  22. for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++) { if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID){ _nDiseffect++; if(_pFreepf_head==NULL) { nMin=32767; for(j=0;j<TOTAL_VP;j++) // 得到最近最少使用的页面的页号 // 循环结束后,iMin表示最近最少使用页面的访问次数;minj表示需要换出的页号 if(nMin>_vDiscPages[j].m_nTime &&_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber!=INVALID) { nMin=_vDiscPages[j].m_nTime; minj=j;} 存储器管理设计 _ 22 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  23. _pFreepf_head= &_vMemoryPages[_vDiscPages[minj].m_nPageFaceNumber]; _vDiscPages[minj].m_nPageFaceNumber=INVALID; _vDiscPages[minj].m_nTime=-1; _pFreepf_head->m_pNext=NULL; } _vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber= _pFreepf_head->m_nPageFaceNumber; _vDiscPages[_vPage[i]].m_nTime=nPresentTime; _pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext; } 存储器管理设计 _ 23 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  24. else _vDiscPages[_vPage[i]].m_nTime=nPresentTime; nPresentTime++; } cout<<"LRU: "<<1-(float)_nDiseffect/320; } void CMemory::NUR(const int nTotal_pf) { int i,j,nDiscPage,nOld_DiscPage; bool bCont_flag; initialize(nTotal_pf); nDiscPage=0; 存储器管理设计 _ 24 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  25. for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++) { if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber ==INVALID) { _nDiseffect++; if(_pFreepf_head==NULL) { bCont_flag=true; nOld_DiscPage=nDiscPage; while(bCont_flag) { if(_vDiscPages[nDiscPage].m_nCounter==0&& _vDiscPages[nDiscPage].m_nPageFaceNumber! =INVALID) bCont_flag=false; 存储器管理设计 _ 25 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  26. else { nDiscPage++; if(nDiscPage==TOTAL_VP) nDiscPage=0; if(nDiscPage==nOld_DiscPage) for(j=0;j<TOTAL_VP;j++) _vDiscPages[j].m_nCounter=0; } } _pFreepf_head=&_vMemoryPages [_vDiscPages[nDiscPage].m_nPageFaceNumber]; 存储器管理设计 _ 26 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  27. _vDiscPages[nDiscPage].m_nPageFaceNumber=INVALID; _pFreepf_head->m_pNext=NULL; } _vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber= _pFreepf_head->m_nPageFaceNumber; _pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext; } else _vDiscPages[_vPage[i]].m_nCounter=1; if(i%CLEAR_PERIOD==0) for(j=0;j<TOTAL_VP;j++) _vDiscPages[j].m_nCounter=0; } 存储器管理设计 _ 27 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  28. cout<<"NUR:"<<1-(float)_nDiseffect/320; }  void CMemory::OPT(const int nTotal_pf) { int i,j,max,maxpage,nDistance,vDistance[TOTAL_VP]; initialize(nTotal_pf); for(i=0;i<TOTAL_INSTRUCTION;i++) { if(_vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber==INVALID) { _nDiseffect++; if(_pFreepf_head==NULL) { for(j=0;j<TOTAL_VP;j++) if(_vDiscPages[j].m_nPageFaceNumber!=INVALID) vDistance[j]=32767; else vDistance[j]=0; 存储器管理设计 _ 28 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  29. nDistance=1; for(j=i+1;j<TOTAL_INSTRUCTION;j++) { if((_vDiscPages[_vPage[j]].m_nPageFaceNumber!=INVALID)&& (vDistance[_vPage[j]]==32767)) vDistance[_vPage[j]]=nDistance; nDistance++; } max =-1; for(j=0;j<TOTAL_VP;j++) if(max<vDistance[j]) { max=vDistance[j]; maxpage=j;} 存储器管理设计 _ 29 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  30. _pFreepf_head=&_vMemoryPages[_vDiscPages [maxpage].m_nPageFaceNumber]; _pFreepf_head->m_pNext=NULL; _vDiscPages[maxpage].m_nPageFaceNumber=INVALID; } _vDiscPages[_vPage[i]].m_nPageFaceNumber= _pFreepf_head->m_nPageFaceNumber; _pFreepf_head=_pFreepf_head->m_pNext; } } cout<<"OPT:"<<1-(float)_nDiseffect/320; } #endif 存储器管理设计 _ 30 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  31. #include <iostream> #include <string> #include <vector> #include <cstdlib> #include <cstdio> #include <unistd.h> using namespace std; #define INVALID -1 const int TOTAL_INSTRUCTION(320); const int TOTAL_VP(32); const int CLEAR_PERIOD(50); 存储器管理设计 _ 31 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  32. #include "Page.h" #include "PageControl.h" #include "Memory.h" int main() { int i; CMemory a; for(i=4;i<=32;i++) { a.FIFO(i); a.LRU(i); a.NUR(i); a.OPT(i); cout<<"\n";} return 0;} 存储器管理设计 _ 32 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

  33. 6 程序运行 g++ -o main main.cpp↙ ./main↙ 存储器管理设计 _ 33 安徽理工大学计算机系软件教研室　 管建军

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