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一、虚拟存储系统
LINUX中，为了提高内存利用率，提供了内外存进程对换机制；内存空间的分配和回收均以页为单位进行；一个进程只需将其一部分（段或页）调入内存便可运行；还支持请求调页的存储管理方式。
当进程在运行中需要访问某部分程序和数据时，发现其所在页面不在内存，就立即提出请求（向CPU发出缺中断），由系统将其所需页面调入内存。这种页面调入方式叫请求调页。
为实现请求调页，核心配置了四种数据结构：页表、页框号、访问位、修改位、有效位、保护位等。
二、页面置换算法
当CPU接收到缺页中断信号，中断处理程序先保存现场，分析中断原因，转入缺页中断处理程序。该程序通过查找页表，得到该页所在外存的物理块号。如果此时内存未满，能容纳新页，则启动磁盘I/O将所缺之页调入内存，然后修改页表。如果内存已满，则须按某种置换算法从内存中选出一页准备换出，是否重新写盘由页表的修改位决定，然后将缺页调入，修改页表。利用修改后的页表，去形成所要访问数据的物理地址，再去访问内存数据。整个页面的调入过程对用户是透明的。
常用的页面置换算法有
1、最佳置换算法（Optimal）
2、先进先出法（Fisrt In First Out）
3、最近最久未使用（Least Recently Used）
4、最不经常使用法（Least Frequently Used）
5、最近未使用法（No Used Recently）
三、参考程序：
[php]#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
#define NULL 0
#define total_instruction 320 /*指令流长*/
#define total_vp 32 /*虚页长*/
#define clear_period 50 /*清0周期*/
typedef struct /*页面结构*/
{
int pn,pfn,counter,time;
}pl_type;
pl_type pl[total_vp]; /*页面结构数组*/
struct pfc_struct{ /*页面控制结构*/
int pn,pfn;
struct pfc_struct *next;
};
typedef struct pfc_struct pfc_type;
pfc_type pfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;
int diseffect, a[total_instruction];
int page[total_instruction], offset[total_instruction];
int initialize(int);
int FIFO(int);
int LRU(int);
int LFU(int);
int NUR(int);
int OPT(int);
int main( )
{
int s,i,j;
srand(10*getpid()); /*由于每次运行时进程号不同，故可用来作为初始化随机数队列的“种子”*/
s=(float)319*rand( )/32767/32767/2+1; //
for(i=0;i<total_instruction;i+=4) /*产生指令队列*/
{
if(s<0||s>319)
{
printf("When i==%d,Error,s==%d\n",i,s);
exit(0);
}
a=s; /*任选一指令访问点m*/
a[i+1]=a+1; /*顺序执行一条指令*/
a[i+2]=(float)a*rand( )/32767/32767/2; /*执行前地址指令m' */
a[i+3]=a[i+2]+1; /*顺序执行一条指令*/
s=(float)(318-a[i+2])*rand( )/32767/32767/2+a[i+2]+2;
if((a[i+2]>318)||(s>319))
printf("a[%d+2],a number which is :%d and s==%d\n",i,a[i+2],s);
}
for (i=0;i<total_instruction;i++) /*将指令序列变换成页地址流*/
{
page=a/10;
offset=a%10;
}
for(i=4;i<=32;i++) /*用户内存工作区从4个页面到32个页面*/
{
printf("---%2d page frames---\n",i);
FIFO(i);
LRU(i);
LFU(i);
NUR(i);
OPT(i);
}
return 0;
}
int initialize(total_pf) /*初始化相关数据结构*/
int total_pf; /*用户进程的内存页面数*/
{int i;
diseffect=0;
for(i=0;i<total_vp;i++)
{
pl.pn=i;
pl.pfn=INVALID; /*置页面控制结构中的页号，页面为空*/
pl.counter=0;
pl.time=-1; /*页面控制结构中的访问次数为0，时间为-1*/
}
for(i=0;i<total_pf-1;i++)
{
pfc.next=&pfc[i+1];
pfc.pfn=i;
} /*建立pfc[i-1]和pfc之间的链接*/
pfc[total_pf-1].next=NULL;
pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;
freepf_head=&pfc[0]; /*空页面队列的头指针为pfc[0]*/
return 0;
}
int FIFO(total_pf) /*先进先出算法*/
int total_pf; /*用户进程的内存页面数*/
{
int i,j;
pfc_type *p;
initialize(total_pf); /*初始化相关页面控制用数据结构*/
busypf_head=busypf_tail=NULL; /*忙页面队列头，队列尾链接*/
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{
if(pl[page].pfn==INVALID) /*页面失效*/
{
diseffect+=1; /*失效次数*/
if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/
{
p=busypf_head->next;
pl[busypf_head->pn].pfn=INVALID;
freepf_head=busypf_head; /*释放忙页面队列的第一个页面*/
freepf_head->next=NULL;
busypf_head=p;
}
p=freepf_head->next; /*按FIFO方式调新页面入内存页面*/
freepf_head->next=NULL;
freepf_head->pn=page;
pl[page].pfn=freepf_head->pfn;
if(busypf_tail==NULL)
busypf_head=busypf_tail=freepf_head;
else
{
busypf_tail->next=freepf_head; /*free页面减少一个*/
busypf_tail=freepf_head;
}
freepf_head=p;
}
}
printf("FIFO:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int LRU (total_pf) /*最近最久未使用算法*/
int total_pf;
{
int min,minj,i,j,present_time;
initialize(total_pf);
present_time=0;
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{
if(pl[page].pfn==INVALID) /*页面失效*/
{
diseffect++;
if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/
{
min=32767;
for(j=0;j<total_vp;j++) /*找出time的最小值*/
if(min>pl[j].time&&pl[j].pfn!=INVALID)
{
min=pl[j].time;
minj=j;
}
freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn]; //腾出一个单元
pl[minj].pfn=INVALID;
pl[minj].time=-1;
freepf_head->next=NULL;
}
pl[page].pfn=freepf_head->pfn; //有空闲页面,改为有效
pl[page].time=present_time;
freepf_head=freepf_head->next; //减少一个free 页面
}
else
pl[page].time=present_time; //命中则增加该单元的访问次数
present_time++;
}
printf("LRU:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int NUR(total_pf) /*最近未使用算法*/
int total_pf;
{ int i,j,dp,cont_flag,old_dp;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
dp=0;
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{ if (pl[page].pfn==INVALID) /*页面失效*/
{diseffect++;
if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/
{ cont_flag=TRUE;
old_dp=dp;
while(cont_flag)
if(pl[dp].counter==0&&pl[dp].pfn!=INVALID)
cont_flag=FALSE;
else
{
dp++;
if(dp==total_vp)
dp=0;
if(dp==old_dp)
for(j=0;j<total_vp;j++)
pl[j].counter=0;
}
freepf_head=&pfc[pl[dp].pfn];
pl[dp].pfn=INVALID;
freepf_head->next=NULL;
}
pl[page].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head=freepf_head->next;
}
else
pl[page].counter=1;
if(i%clear_period==0)
for(j=0;j<total_vp;j++)
pl[j].counter=0;
}
printf("NUR:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int OPT(total_pf) /*最佳置换算法*/
int total_pf;
{int i,j, max,maxpage,d,dist[total_vp];
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{ //printf("In OPT for 1,i=%d\n",i); //i=86;i=176;206;250;220,221;192,193,194;258;274,275,276,277,278;
if(pl[page].pfn==INVALID) /*页面失效*/
{
diseffect++;
if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/
{for(j=0;j<total_vp;j++)
if(pl[j].pfn!=INVALID) dist[j]=32767; /* 最大"距离" */
else dist[j]=0;
d=1;
for(j=i+1;j<total_instruction;j++)
{
if(pl[page[j]].pfn!=INVALID)
dist[page[j]]=d;
d++;
}
max=-1;
for(j=0;j<total_vp;j++)
if(max<dist[j])
{
max=dist[j];
maxpage=j;
}
freepf_head=&pfc[pl[maxpage].pfn];
freepf_head->next=NULL;
pl[maxpage].pfn=INVALID;
}
pl[page].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head=freepf_head->next;
}
}
printf("OPT:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}
int LFU(total_pf) /*最不经常使用置换法*/
int total_pf;
{
int i,j,min,minpage;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{ if(pl[page].pfn==INVALID) /*页面失效*/
{ diseffect++;
if(freepf_head==NULL) /*无空闲页面*/
{ min=32767;
for(j=0;j<total_vp;j++)
{if(min>pl[j].counter&&pl[j].pfn!=INVALID)
{
min=pl[j].counter;
minpage=j;
}
pl[j].counter=0;
}
freepf_head=&pfc[pl[minpage].pfn];
pl[minpage].pfn=INVALID;
freepf_head->next=NULL;
}
pl[page].pfn=freepf_head->pfn; //有空闲页面,改为有效
pl[page].counter++;
freepf_head=freepf_head->next; //减少一个free 页面
}
else
pl[page].counter++;
}
printf("LFU:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}[/php]
四、运行结果
4 page frams
FIFO: 0.7312
LRU: 0.7094
LFU: 0.5531
NUR: 0.7688
OPT: 0.9750
5 page frams
…………
五、分析
1、从几种算法的命中率看，OPT最高，其次为NUR相对较高，而FIFO与LRU相差无几，最低的是LFU。但每个页面执行结果会有所不同。
2、OPT算法在执行过程中可能会发生错误 |
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IP卡
狗仔卡
发表于 2005-5-9 21:43:51
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡
楼主