页面置换算法实验报告c语言(大一c语言课程设计计算器)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

实验目的

1、了解内存分页管理策略

2、掌握一些基本的页面置换算法

实验内容与基本要求

用C，C++等语言编写程序，实现OPT、FIFO、LRU置换算法

页面置换算法的基本内容

页面置换算法是在当进程运行过程中，若其要访问的页面不在内存且内存已满时，要决定将哪个页面换出的算法。常见的页面置换算法包括最佳置换、先进先出置换、最近最久未使用置换和Clock置换等。本次的实验实现的算法包括最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）和最近最久未使用算法（LRU）。

页面置换算法涉及到一些概念如下：

• 缺页率：当需要访问的页面不在内存时称为缺页，此时需要将页面调入内存。缺页率就是要访问的页面不在内存中的概率。因此缺页率=缺页次数/要访问的页面总数。需要注意的是，缺页的时候不一定需要进行页面置换（如果内存还没满，直接将页面调入内存即可）。
• 置换率：置换就是将旧页面调出内存，新页面调进内存，即新页面代替旧页面的过程。置换率就是需要进行页面置换的概率。所以置换率=置换次数/要访问的页面总数。
• 命中率：就是要访问的页面恰好在内存中的概率。可以发现（缺页率+命中率=1）。

最佳置换算法

最佳置换算法，就是所选择内存中以后永远不再使用，或者是在未来最长的一段时间内不再被访问的页面来换出。

用这种算法可以保证获得最低的缺页率，最低的置换次数，因此效率最高。然而在实际情况中，我们是无法知道哪个页面是未来最长时间内不再被访问的，所以实际上它是无法实现的。

先进先出置换算法

先进先出置换算法，就是选择内存中最先进入内存，在内存中呆的最久的页面来换出。它实现简单，但是效率不高。

最近最久未使用算法

最近最久未使用算法，是选择当前内存中，最久没有被访问的页面来换出。它是希望通过过去页面访问的情况，来预测未来页面的访问情况，但是页面过去与未来的走向之间并没有必然的联系，因此它的效率也不是十分高。

实现思路

无论采用哪个算法，当进程需要访问一个页面时，存在三种情况：

1.页面已经在内存中

2.页面不在内存中，但是此时内存还未满

3.页面不在内存中，且此时内存已满，需要把页面换出

不同算法的区别主要是决定换出哪个页面

最佳置换算法中，被换出的算法是在最长未来时间内不再被访问的页面。也就是说，需要计算出当前内存中页面的下一次访问位置，哪个页面的下一次访问位置最远，就将它换出。因此需要一个数组额外记录下次访问位置，每当访问完一个页面（不管这个页面是新换入的，还是早就在内存中的），都需要遍历剩下的页面号引用串，更新这个数组。

先进先出置换算法比较简单，用一个变量记录当前内存中最先进入页面的下标。由于页面都是按数组下标顺序保存的，因此每访问一个页面，该变量就加一。等变量等于数组长度时，再重新归零即可。

最近最久未使用算法有两种思路：1.与最佳置换算法类似，设置一个时间数组，记录从内存中页面上次访问至今的时间，哪个页面的时间最长则将它换出。如果要访问的页面已在内存中，则时间归零。当每次发起一个访问请求，则所有页面访问时间加一，更新该数组。2.用数组模拟队列的结构，队列头出队列尾入，每当需要访问新的页面时，就将数组内的数据前移一位，新页面加入数组最后。如果要访问的页面已在内存中，则用一个临时变量记录该页面，然后从该页面起的数据前移一位，把该页面加入数组最后（课本上说是用栈的结构，但是严格上来说，栈只允许一端出入。因此按照课本上的功能描述，实际应该采用的结构仍是队列）

流程图

程序总流程图

OPT算法流程图

FIFO算法流程图

LRU算法流程图

全部代码

代码

//
// main.c
// pageReplacement
//
// Created by Apple on 2019/11/12.
// Copyright © 2019 Yao YongXin. All rights reserved.
//
#include <stdio.h>
//初始化队列
void initializeList(int list[],int number){ 

for (int i = 0; i < number; i ++) { 

list[i] = -1;
}
}
//展示队列状态
void showList(int list[], int number){ 

for (int i = 0; i < number; i ++) { 

printf("%2d",list[i]);
}
printf("\n");
}
//展示当前内存状态
void showMemoryList(int list[],int phyBlockNum){ 

for (int i = 0; i < phyBlockNum; i ++) { 

if (list[i] == -1) { 

break;
}
printf(" |%d|",list[i]);
}
printf("\n");
}
void informationCount(int missingCount,int replaceCount,int pageNum){ 

printf("缺页次数:%d 缺页率:%d/%d\n",missingCount,missingCount,pageNum);
double result = (double)(pageNum - missingCount)/(double)pageNum;
printf("置换次数:%d 命中率:%.2f\n",replaceCount,result);
}
//找到该页面下次要访问的位置
int getNextPosition(int currentPage,int currentPosition,int strList[],int pageNum){ 

for (int i = currentPosition+1; i < pageNum; i ++) { 

if (strList[i] == currentPage) { 

return i;
}
}
return 100;
}
//最佳置换算法
void replacePageByOPT(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){ 

//置换次数
int replaceCount = 0;
//缺页次数
int missingCount = 0;
//记录在内存的物理块的下一次访问位置
int nextPosition[phyNum];
//初始化
initializeList(nextPosition, phyNum);
//记录当前页面的访问情况: 0 未访问
int isVisited;
for (int i = 0; i < pageNum; i ++) { 

isVisited = 0;
//判断是否需要置换->内存已满且需要访问的页面不在内存中
for (int j = 0; j < phyNum; j ++) { 

if (memoryList[j] == strList[i]) { 

//该页面已经存在内存中
//记录下一次访问它的位置
nextPosition[j] = getNextPosition(memoryList[j], i, strList, pageNum);
//修改访问情况
isVisited = 1;
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
break;
}
if (memoryList[j] == -1) { 

//页面不在内存中且内存未满->直接存入
memoryList[j] = strList[i];
nextPosition[j] = getNextPosition(memoryList[j], i, strList, pageNum);
missingCount ++;
//修改访问情况
isVisited = 1;
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
showMemoryList(memoryList, phyNum);
break;
}
}
if (!isVisited) { 

//当前页面还没访问过
//内存已满且当前访问不在内存中->进行置换
//1.寻找到最晚才被访问到的页面
int max = 0;
for (int k = 1; k < phyNum; k ++) { 

if (nextPosition[max] < nextPosition[k]) { 

max = k;
}
}
//2.将该位置的页面换出
memoryList[max] = strList[i];
nextPosition[max] = getNextPosition(memoryList[max], i, strList, pageNum);
missingCount ++;
replaceCount ++;
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
showMemoryList(memoryList, phyNum);
}
}
informationCount(missingCount, replaceCount,pageNum);
}
//先进先出置换算法
void replacePageByFIFO(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){ 

//置换次数
int replaceCount = 0;
//缺页次数
int missingCount = 0;
//记录当前最早进入内存的下标
int pointer = 0;
//记录当前页面的访问情况: 0 未访问
int isVisited = 0;
for (int i = 0; i < pageNum; i ++) { 

isVisited = 0;
//判断是否需要置换->内存已满且需要访问的页面不在内存中
for (int j = 0; j < phyNum; j ++) { 

if (memoryList[j] == strList[i]) { 

//该页面已经存在内存中
//修改访问情况
isVisited = 1;
//修改访问时间
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
break;
}
if (memoryList[j] == -1) { 

//页面不在内存中且内存未满->直接存入
memoryList[j] = strList[i];
//修改访问情况
isVisited = 1;
missingCount ++;
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
showMemoryList(memoryList, phyNum);
break;
}
}
if (!isVisited) { 

//当前页面还未被访问过->需要进行页面置换
//直接把这个页面存到所记录的下标中
memoryList[pointer] = strList[i];
//下标指向下一个
pointer ++;
//如果到了最后一个，将下标归零
if (pointer > phyNum-1) { 

pointer = 0;
}
missingCount ++;
replaceCount ++;
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
showMemoryList(memoryList, phyNum);
}
}
informationCount(missingCount, replaceCount, pageNum);
}
//最近最久未使用置换算法
void replacePageByLRU(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){ 

//置换次数
int replaceCount = 0;
//缺页次数
int missingCount = 0;
//记录内存中最近一次访问至今的时间
int timeRecord[phyNum];
//初始化
initializeList(timeRecord, phyNum);
//记录当前页面的访问情况: 0 未访问
int isVisited = 0;
//记录已经在内存中的页面数量
int pageCount = 0;
for (int i = 0; i < pageNum; i ++) { 

isVisited = 0;
//时间加一
for (int p = 0; p < pageCount; p ++) { 

if (memoryList[p] != -1) { 

timeRecord[p] ++;
}
}
//是否需要置换
for (int j = 0; j < phyNum; j ++) { 

if (memoryList[j] == strList[i]) { 

//该页面已经存在内存中
//修改访问情况
isVisited = 1;
//重置访问时间
timeRecord[j] = -1;
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
break;
}
if (memoryList[j] == -1) { 

//页面不在内存中且内存未满->直接存入
memoryList[j] = strList[i];
pageCount ++;
//修改访问情况
isVisited = 1;
//修改访问时间
timeRecord[j] ++;
missingCount ++;
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
showMemoryList(memoryList, phyNum);
break;
}
}
if (!isVisited) { 

//需要置换
//1.遍历时间记录表，寻找最久未访问的页面所在的内存下标
int max = 0;
for (int k = 0; k < phyNum; k ++) { 

if (timeRecord[max] < timeRecord[k]) { 

max = k;
}
}
//2.将该位置的页面换出
memoryList[max] = strList[i];
timeRecord[max] = -1;
missingCount ++;
replaceCount ++;
//展示
printf("%d\n",strList[i]);
showMemoryList(memoryList, phyNum);
}
}
informationCount(missingCount, replaceCount, pageNum);
}
//最近最久未使用置换算法-2
//void replacePageByLRU(int memoryList[],int phyNum,int strList[],int pageNum){ 

//
// int isVisited = 0;
//
// //记录已经在内存中的页面数量
// int pageCount = 0;
// for (int i = 0; i < pageNum; i ++) { 

// isVisited = 0;
// //判断内存是否需要换页
// for (int j = 0; j < phyNum; j ++) { 

// if (memoryList[j] == strList[i]) { 

// //已经存在于内存中，把它换到队列尾部
// int temp = memoryList[j];
// for (int k = j; k < pageCount-1; k ++) { 

// memoryList[k] = memoryList[k+1];
// }
// memoryList[pageCount-1] = temp;
//
// //修改访问情况
// isVisited = 1;
// //修改访问时间
// //展示
// printf("%d\n",strList[i]);
// break;
// }
//
// if (memoryList[j] == -1) { 

// //页面不在内存中且内存未满->直接存入
// memoryList[j] = strList[i];
// //修改访问情况
// isVisited = 1;
//
// pageCount ++;
//
// //展示
// printf("%d\n",strList[i]);
// showMemoryList(memoryList, phyNum);
// break;
// }
// }
//
// if (!isVisited) { 

// //需要换页
// //1.直接将数组整体往前移一位
// for (int k = 0; k < phyNum; k ++) { 

// memoryList[k] = memoryList[k+1];
// }
// //2.将当前页面加到队尾
// memoryList[phyNum-1] = strList[i];
// //展示
// printf("%d\n",strList[i]);
// showMemoryList(memoryList, phyNum);
// }
//
//
// }
//}
int main(int argc, const char * argv[]) { 

//物理块的数量
int phyBlockNum;
printf("请输入物理块数量:\n");
scanf("%d",&phyBlockNum);
//生成内存队列
int memoryList[phyBlockNum];
//初始化内存状态
initializeList(memoryList, phyBlockNum);
//showMemoryList(memoryList,phyBlockNum);
//页面数量
int pageNum;
printf("请输入要访问的页面总数:\n");
scanf("%d",&pageNum);
//保存页面号引用串
int pageNumStrList[pageNum];
printf("请输入要访问的页面号:\n");
for (int i = 0; i < pageNum; i ++) { 

scanf("%d",&pageNumStrList[i]);
}
showList(pageNumStrList, pageNum);
int chose;
while (1) { 

printf("请选择所需的置换算法:\n");
printf("1.OPT 2.FIFO 3.LRU 4.退出\n");
scanf("%d",&chose);
switch (chose) { 

case 1:
showList(pageNumStrList, pageNum);
replacePageByOPT(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);
//重新初始化内存
initializeList(memoryList, phyBlockNum);
break;
case 2:
showList(pageNumStrList, pageNum);
replacePageByFIFO(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);
//重新初始化内存
initializeList(memoryList , phyBlockNum);
break;
case 3:
showList(pageNumStrList, pageNum);
replacePageByLRU(memoryList, phyBlockNum, pageNumStrList, pageNum);
//重新初始化内存
initializeList(memoryList, phyBlockNum);
break;
default:
return 0;
break;
}
}
return 0;
}

实验截图