系统结构实验二

实验二计算机存储体系的页面替换算法（3学时）一、实验目的当计算机内存已满而又发生页面失效时，替换算法就要选择主存中哪个页作为被替换的页。

通过本实验可以帮助学生理解虚拟存储器中页面替换的基本思想，深刻体会各种页面替换算法的性能差异。

二、实验环境开发工具使用windows平台下的vc++6.0。

三、实验内容编写一个模拟算法，模拟实现虚拟存储器的先进先出、近期最少使用、优化等算法。

在程序设计的过程中，要求体会各种页面替换算法的优点和缺点，并计算出各种替换算法的命中率。

四、实验结果及完成情况一、整个实验过程的思路可以整理如下：1、初始化虚拟存储空间。

定义void DataInput()用来申请物理块BlockNum和页面数DataMax2、产生一个随机调用页面的序列。

void DataInput()还可以随机成生调用页面序列3、实现各种页面替换算法。

void FIFO(); // FIFO 先进先出算法函数void Optimal(); // Optimal优化替换算法函数void LRU(); // LRU近期最少使用算法函数4、计算各种页面替换算法的命中率。

void DataOutput()用来显示数据和命中率主要变量和函数：const int DataMax=100;const int BlockNum = 10;int DataShow[BlockNum][DataMax]; // 用于存储要显示的数组bool DataShowEnable[BlockNum][DataMax]; // 用于存储数组中的数据是否需要显示int Data[DataMax]; // 保存数据int Block[BlockNum]; // 物理块int count[BlockNum]; // 计数器int N ; // 页面个数int M;//最小物理块数int ChangeTimes;void DataInput(); // 输入数据的函数void DataOutput();//输出数据的函数void FIFO(); // FIFO 先进先出算法函数void Optimal(); // Optimal优化替换算法函数void LRU(); // LRU近期最少使用算法函数二、实验中的几点注意事项：1.虚拟存储空间的大小要合适。

2.根据能够存储页面的多少确定随机调用页面的序列。

五、主要代码：void FIFO(){int i,j;bool find;int point;int temp; // 临时变量ChangeTimes = 0;for(j=0;j<M;j++)for(i=0;i<N;i++)DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false，表示没有要显示的数据for(i=0;i<M;i++){count[i] = 0; // 大于等于BlockNum,表示块中没有数据,或需被替换掉所以经这样初始化（3 2 1）,每次替换>=3的块,替换后计数值置1,同时其它的块计数值加1,成了（1 3 2 ）,见下面先进先出程序段}for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作{// 增加countfor(j=0;j<M;j++)count[j]++;find = false; // 表示块中有没有该数据for(j=0;j<M;j++){if( Block[j] == Data[i] ){find = true;}}if( find ) continue; // 块中有该数据，判断下一个数据块中没有该数据ChangeTimes++; // 缺页次数++if( (i+1) > M ) // 因为i是从0开始记，而M指的是个数，从1开始，所以i+1{//获得要替换的块指针temp = 0;for(j=0;j<M;j++){if( temp < count[j] ){temp = count[j];point = j; // 获得离的最远的指针} }}else point = i;// 替换Block[point] = Data[i];count[point] = 0; // 更新计数值for(j=0;j<M;j++)// 保存要显示的数据{DataShow[j][i] = Block[j];DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据}}cout<< endl<<"FIFO算法："<< endl;// 输出信息DataOutput();}void Optimal(){int i,j,k;bool find;int point;int temp; // 临时变量，比较离的最远的时候用ChangeTimes = 0;for(j=0;j<M;j++)for(i=0;i<N;i++)DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false，表示没有要显示的数据for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作{find = false; // 表示块中有没有该数据for(j=0;j<M;j++){if( Block[j] == Data[i] ) find = true;}if( find ) continue; // 块中有该数据，判断下一个数据块中没有该数据，最优算法ChangeTimes++; // 缺页次数++for(j=0;j<M;j++){// 找到下一个值的位置find = false;for( k =i;k<N;k++){if( Block[j] == Data[k] ){find = true;count[j] = k;break;}}if( !find ) count[j] = N;}if( (i+1) > M )//因为i是从0开始记,而BlockNum指的是个数,从1开始,所以i+1 {//获得要替换的块指针temp = 0;for(j=0;j<M;j++){if( temp < count[j] ){temp = count[j];point = j; // 获得离的最远的指针} } }else point = i;// 替换Block[point] = Data[i];for(j=0;j<M;j++) // 保存要显示的数据{DataShow[j][i] = Block[j];DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据}}cout<< endl <<"Optimal算法："<< endl; // 输出信息DataOutput();}void LRU(){int i,j;bool find;int point;int temp; // 临时变量ChangeTimes = 0;for(j=0;j<M;j++)for(i=0;i<N;i++)DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false，表示没有要显示的数据for(i=0;i<M;i++){count[i] = 0 ;}for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作{// 增加countfor(j=0;j<M;j++)count[j]++;find = false; // 表示块中有没有该数据for(j=0;j<M;j++){if( Block[j] == Data[i] ){count[j] = 0;find = true;}}if( find ) continue; // 块中有该数据，判断下一个数据块中没有该数据ChangeTimes++; // 缺页次数++if( (i+1) > M ) // 因为i是从0开始记,而BlockNum指的是个数,从1开始,所以i+1 {//获得要替换的块指针temp = 0;for(j=0;j<M;j++){if( temp < count[j] ){temp = count[j];point = j; // 获得离的最远的指针} } }else point = i;// 替换Block[point] = Data[i];count[point] = 0;for(j=0;j<M;j++)// 保存要显示的数据{DataShow[j][i] = Block[j];DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据}}cout<< endl <<"LRU算法："<< endl; // 输出信息DataOutput();}完成情况：初始界面：FIFO算法：Optimal算法：LRU算法：六、出现问题及解决方案1、问题：如何长生随机请求序列？解决方案：用srand( (unsigned)time( NULL ) );即可。

2、问题：发下安不管输入什么数值，都可以运行，后来找到出错地方解决方案：更正为1==select七、思考题在计算机存储结构中，内存外存和CACHE内存都会用到替换算法，它们之间有什么异同点？答：(1) 随机算法，即RAND算法（Random algorithm）。

利用软件或硬件的随机数发生器来确定主存储器中被替换的页面。

这种算法最简单，而且容易实现。

但是，这种算法完全没有利用主存储器中页面调度情况的历史信息，也没有反映程序的局部性，所以命中率比较低。

(2) 先进先出算法，即FIFO算法（First-In First-Out algorithm）。

这种算法选择最先调入主存储器的页面作为被替换的页面。

它的优点是比较容易实现，能够利用主存储器中页面调度情况的历史信息，但是，没有反映程序的局部性。

因为最先调入主存的页面，很可能也是经常要使用的页面。

(3) 近期最少使用算法，即LFU算法（Least Frequently Used algorithm）。

这种算法选择近期最少访问的页面作为被替换的页面。

显然，这是一种非常合理的算法，因为到目前为止最少使用的页面，很可能也是将来最少访问的页面。

该算法既充分利用了主存中页面调度情况的历史信息，又正确反映了程序的局部性。

但是，这种算法实现起来非常困难，它要为每个页面设置一个很长的计数器，并且要选择一个固定的时钟为每个计数器定时计数。