操作系统课设页面置换算法

目录
一、课程设计目的及要求 (1)
二、相关知识 (1)
三、题目分析 (2)
四、概要设计 (3)
五、代码及流程 (3)
六、运行结果 (7)
七、设计心得 (8)
八、参考文献 (9)
一、课程设计目的及要求
页面置换算法
实验目的：深入掌握内存调度算法的概念原理和实现方法。

设计要求：编写程序实现：1）先进先出页面置换算法（FIFO）
2）最近最久未使用页面置换算法（LRU）
3）最佳置换页面置换算法（OPT）
演示页面置换的三种算法。

二、相关知识
2.1 先进先出（FIFO）算法
这是最早出现的置换算法。

该算法总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。

该算法实现简单，只需把一个进程已调入内存的页面，按照先后次序链接成一个队列，并设置一个指针，称为替换指针，使它总指向最老的页面。

但该算法与进程实际运行的规律不相适应，因为在进程中，有些页面经常被访问，比如，含有全局变量、常用函数、例程等的页面，FIFO算法并不能保证这些页面不被淘汰。

2.2 最近最久未使用（LRU）算法
FIFO置换算法性能之所以较差，是因为它所依据的条件是各个页面调入内存的时间，而页面调入的先后并不能反映页面的使用情况。

最近最久未使用（LRU）的页面置换算法，是根据页面调入内存后的使用情况进行决策的。

由于无法预测各页将来的使用情况，只能利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似，因此，LRU置换算法是选择最近最久未使用的页面予以淘汰。

该算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间t，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其t值最大的，即最近最久未使用的页面予以淘汰。

2.3 最佳（Optimal）算法
最佳置换算法是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。

其所选择的被淘汰的页面，将是以后永不使用的，或是在最长（未来）时间内不再被访问的页面。

采用最佳置换算法，通常可保证获得最低的缺页率。

但由于人们目前还无法预知一个进程在内存的若干个页面中，哪一个页面是将来最长时间内不再访问的，因而该算法时无法实现的，但可以利用该算法评价其他算法。

三、题目分析
熟悉页面置换算法及其实现。

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。

四、概要设计
4.1进入系统模块。

进入登陆界面，输入内存页面数和实际页数。

4.2页面号打印模块。

打印输入的页面号。

4.3菜单选择模块。

选择相应的页面的置换方式，选择相应的字母，进入相应的功能。

4.4算法模块。

选择相应的页面置换算法。

4.5显示输出模块。

显示页面被置换的情况。

4.6缺页次数和缺页率模块。

计算页面号输入的结果。

4.7退出系统模块。

退出置换页面。

五、代码及流程
#include<iostream.h>
#define M 40
int N;
struct Pro//内存页的结构体
{
int num,time;
};
int Input(int m,Pro p[M]) //输入函数，输入实际页号和实际页数
{
cout<<"请输入实际页数：";
do
{
cin>>m;
if(m>M)cout<<"数目太多，请重试"<<endl;
else break;
}
while(1);
cout<<endl<<"请输入各页面号"<<endl;
for(int i=0;i<m;i++)
{
cin>>p[i].num;//num页面号
p[i].time=0;
}
return m;//m代表实际页面走向数
}
void print(Pro* page1) //打印当前内存中存放的页面
{
Pro*page=new Pro[N];//定义一个指针
page=page1;
for(int i=0;i<N;i++)
if(page[i].num==-1)
cout<<" ";
else
cout<<page[i].num<<" ";
cout<<endl;
}
int Search(int e,Pro*page1) //查找内存中是否存在要调入的页面
{
Pro*page=new Pro[N];
page=page1;
for(int i=0;i<N;i++)if(e==page[i].num)return i;
return -1;
}
int Max(Pro*page1)//找出离现在时间最长的页面
{
Pro*page=new Pro[N];
page=page1;
int e=page[0].time,i=0;
while(i<N)
{
if(e<page[i].time) e=page[i].time;//找最长时间
i++;
}
for(i=0;i<N;i++)
if(e==page[i].time) return i;//找最长时间的下标
return -1;
}
int Compfu(Pro*page1,int i,int t,Pro p[M])//找到最久不使用的页面
{
Pro*page=new Pro[N];
page=page1;
int count=0;
for(int j=i;j<M;j++)
{
if(page[t].num==p[j].num) break;//当前页面开始往后查找在内存中的页帧号
else count++;
}
return count;
}
int main()
{
cout<<"可用内存页面数"<<endl;
cin>>N;
Pro p[M];
Pro*page=new Pro[N];
char c;
int m=0,t=0;
float n=0;
m=Input(m,p);
do{
for(int j=0;j<N;j++)//初始化页面基本情况
{
page[j].num=-1;
page[j].time=2-j;
}
int i=0;
cout<<"f:FIFO页面置换"<<endl;
cout<<"l:LRU 页面置换"<<endl;
cout<<"o:OPT 页面置换"<<endl;
cout<<"按其它键结束"<<endl;
cin>>c;
if(c=='f') //FIFO页面置换
{
n=0;//记录缺页数
cout<<"页面置换情况: "<<endl;
while(i<m)
{
if(Search(p[i].num,page)>=0) ++i;//找到相同的页面
else
{
n++;
page[t].num=p[i].num;//如果没有找到相同的页，则进行页面替换，缺页数加一
print(page);
t=(++t)%N;
}
}
cout<<"缺页次数: "<<n<<" 缺页率："<<n/m<<endl;
}
if(c=='l') //LRU页面置换
{
n=0;//记录缺页数
cout<<"页面置换情况："<<endl;
while(i<m)
{
int k;
k=t=Search(p[i].num,page);
if(t>=0)
page[t].time=0;
else
{
n++;
t=Max(page);
page[t].num=p[i].num;
page[t].time=0;
}
if(t==0){page[t+1].time++;page[t+2].time++;}
if(t==1){page[2].time++;page[0].time++;}
if(t==2){page[1].time++;page[0].time++;}
if(k==-1) print(page);
i++;
}
cout<<"缺页次数："<<n<<" 缺页率："<<n/m<<endl;
}
if(c=='o')//OPT页面置换
{
n=0;//记录缺页数
while(i<m)
{
if(Search(p[i].num,page)>=0)i++;
else
{
int temp=0,cn;
for(t=0;t<N;t++)//查找下次访问距离最远的那个页面
{
if(temp<Compfu(page,i,t,p))
{
temp=Compfu(page,i,t,p);
cn=t;
}
}
page[cn]=p[i];
n++;
print(page);
i++;
}
}
cout<<"缺页次数："<<n<<" 缺页率："<<n/m<<endl;
}
}
while(c=='f'||c=='l'||c=='o');
return 0;
}
六、运行结果
图6.1运行结果
图6.2运行结果
图6.3运行结果
七、设计心得
经过几个星期的上机实践学习，使我对操作系统这门课程有了更进一步的认识和了解，要想学好它要重在实践，要通过不断的上机操作才能更好地学习它，通过实践，我也发现我的好多不足之处，首先是以前的C语言基础没打好，一些基本常识性东西都不知道，再有操作时有很多很生疏的东西，虽然在学习课本知识的时感觉什么东西都很简单，但真正操作起来确实如此之难，语言中经常出现的错误也不了解，通过实践，使我在这几个方面的认识有所提高。

通过实践的学习，我认到学好计算机要重视实践操作，不仅仅是学习操作系统，还是其它的课程，以及其它的计算机方面的知识都要重在实践，所以后在学习过程中，我会更加注视实践操作，使自己更好地学好计算机。

回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整几星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，不过设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。

同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，再次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
八、参考文献
[1]刘振安、刘燕君著.《C++程序设计课程设计》.北京: 机械工业出版社，2004
[2][美]Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne 著. 郑扣根译. 操作系统概念
（第六版）. 北京：高等教育出版社，2004
[3]陈向群，向勇等. Windows操作系统原理（第二版）. 北京：机械工业出版社，2004.。