操作系统实验——分页式存储管理
二、分页式存储器管理
目录
2.1目的
2.2内容
2.3实验提示
2.4数据结构
2.5算法设计及流程图
2.6 运行截图
2.7 小结
2.8代码
2.1目的
- 熟练掌握分页式管理基本原理，并在实验过程中体现内存空间的分配回收、地址转换过程。
- 掌握利用位示图管理内存与置换空间的分配与回收。
- 掌握基本的位运算
- 掌握请求式分页存储管理基本原理，并在试验过程中体会内存与置换空间的分配与回收、地址转换以及缺页处理过程。
2.2内容
在实验一的基础上实现分页式存储管理内存分配和地址转换过程。进一步实现请求分页式存储管理过程，包括内存和置换空间管理、地址转换以及缺页处理，能够体现FIFO和LRU算法思想。
2.3实验提示
1.建立一个位示图数据结构，用来模拟内存的使用情况。位示图是利用若干位的0/1值代表某类空间的占用状态的数据结构。在本实验中，位示图的位数与设定的物理块个数相同。程序启动时可利用一组随机0或1填充位示图，以模拟程序开始执行是内存已被占用状态。
假设内存大小为64K，块大小为1K，则共有64个块，需要创建如下的位示图数据结构：
|
#define BLOCK_SIZE 1024 //块大小，定义成宏，便于修改 #define MEM_SIZE 64 //块个数 //定义char型数组，每个char变量占用8位，长度为8，共64位 char bitmap[MEM_SIZE/8]; |
随机填充的代码如下：
|
#include "time.h" … srand(time(NULL)); for(i=0;i<MEM_SIZE/8;i++) …bitmap[i]=(char)rand(); |
随机填充后的位示图可能的值如图2-1所示。该位示图表示内存的2（0字节第2位）、3（0字节第3位）、6（0字节第6位）、8（1字节第0位）、9（1字节第1位）、12（1字节第4位）、15（1字节第7位）…等块没有被占用。
图2-1 具有随机值的位示图示例
2. 在实验1基础上扩充PCB，添加进程大小和页表：
|
struct PCB｛ … int size; int* page_table; ｝ |
创建进程时输入进程大小，并根据程序中设定的页面大小为进程分配页表空间，并分配物理块。例如，在上图基础上，若要建立一个大小为5000字节的进程，则
- 计算该进程共有“向上取整（5000/1024）=5”个页，需要占用5个内存块；
- 建立空的页表，即长度为5的一维整数数组；
- 从位示图中找出前5个“0”位在整个位示图中的位置号（即内存中的空闲块块号）（若第i字节第j位为0，则该位在位示图中的位置为8*i+j），并将这些位置号依次填入页表中，同时把对应的“0”改为“1”，以示对应内存块已经分配。
|
tmp=(struct PCB *)malloc(sizeof(struct PCB));//所创建进程的PCB tmp->size=size;//进程大小 //计算出块个数 block_count=(int)ceil(tmp->size/(double)BLOCK_SIZE); //分配页表 tmp->page_table=(int *)malloc(sizeof(int)*block_count); |
在位示图中判断某字节b的第bit_no位是1还是0代码如下：
|
int getbit(char b,int bit_no){ //将00000001左移bit_no位，得到如00010000值 char mask=(char)1<<bit_no; if(b&mask) //进行与操作后结果不为0，则第bit_no位一定是1 return 1; else//进行与操作后结果为0，则第bit_no位一定是0 return 0; } |
设置位示图的某字节b的第bit_no位为1或0代码如下：
|
void setbit(char *b,int bit_no,int flag){ char mask=(char)1<<bit_no;//得到如00010000值 if(flag)//flag为真，表示将第bit_no位设置为1 *b=*b|mask;//进行或操作，对应位变成1 else{//flag为假，表示将第bit_no位设置为0 mask=~mask;//取反，得到如11101111值 *b=*b&mask;//进行与操作，对应位变成0 } } |
3. 输入当前执行进程所要访问的逻辑地址，并将其转换成相应的物理地址：
（1）首先编写根据页面大小得到逻辑地址中页号和页内地址分界值（如页面大小为1024，则分界值为log21024=10）
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int mylog2(int size){//size为页面大小 return (int)ceil((log10(size)/log10(2))); } |
（2）根据输入的逻辑地址la，计算其页号和页内地址：
|
int la,pageno,offset,mask; printf("逻辑地址：(<0退出)"); scanf("%d",&la); //将逻辑地址右移若干位，得到页号 pageno=la>>mylog2(BLOCK_SIZE); //将1111…111左移若干位，得到11…11000..00 mask=(0xffffffff)<<mylog2(BLOCK_SIZE); //将11…11000..00取反，得到00…00111..11 mask=~mask; //将逻辑地址与mask进行与操作，得到页内地址 offset=la&mask; |
- 进程退出时，根据其页表内容将位示图对应位置的“1”回填为“0”。
- 扩充页表，将其变成支持请求和置换功能的二维页表（增加存在位等）。创建进程时可装入固定的前三页（或键盘输入初始装入页数，不同进程的装入个数可以不同），其余页装入到置换空间内（置换空间大小应为内存空间大小的1.5-2倍，对其还需建立独立的置换空间位示图）。
- 分别采用FIFO或LRU置换算法对地址转换过程中可能遇到的缺页现象进行页面置换。可将多次地址转换过程中所涉及到的页号视为进程的页面访问序列，从而计算置换次数和缺页率。以下是某次地址变换过程中的交互示例（红色为用户输入，蓝色为程序提示）：
|
逻辑地址:3072 是否为写指令(Y/N):Y 逻辑地址3072对应的页号为:3,页内偏移地址为:0 3号页不在内存,外存块号为12,需置换… 利用FIFO算法选中内存1号页,该页内存块号为6,修改位为1,外存块号为10 将内存6号块内容写入外存10号块,成功 将外存12号块内容调入内存6号块中,置换完毕 逻辑地址3072对应的物理地址为6144 |
2.4数据结构
结构体、链表、一维数组
2.5算法设计及流程图
2.6 运行截图
2.7 小结
功能基本实现，调试成功，没警告，没错误。
通过实验更加了解了页面置换算法的基本流程，能够解决相关问题
2.8代码
#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<math.h>
#include<string.h>
#include<time.h>
#include<stdlib.h>
#define block_size 1024//块大小
#define mem_size 64//内存大小
#define swapspace_size 128//置换空间大小
#define lode_count 3//进程最多装入页数
#define maxsize 10//最大页表空间
int bitmap[64];
int swapbitmap[128];
using namespace std;
typedef struct Page_table//页表
{int pageno,blockno,swapspaceno;//页号，块号，置换块号int exists;//存在位，
}page_table[maxsize];
typedef struct PCB
{int name;int sizes; //进程大小page_table pt;//一个进程的页表int length;//当前页表个数int fifo[3],lru[3],opt[3];int optlist[maxsize];int fifon,lrun,listn;//fifo,lru中页面的个数double absent1,absent2,absent3;double visit1,visit2;struct PCB *next;
}PCB,*PCBlist;
PCBlist running;
void createbitmap()//创建位视图
{int i;srand(time(NULL));for(i=0;i<mem_size;i++)bitmap[i]=(rand()%2);for(i=0;i<swapspace_size;i++)swapbitmap[i]=(rand()%2);
}
void showbitmap()//显示位视图
{cout<<"位示图"<<endl;int i;for(i=0;i<mem_size;i++){cout<<bitmap[i];if((i+1)%8==0)cout<<endl;}cout<<"置换空间位示图"<<endl;for(i=0;i<swapspace_size;i++){cout<<swapbitmap[i];if((i+1)%16==0)cout<<endl;}
}
void initpagetable(PCBlist &s)//初始化页表
{PCBlist p;p=s->next;int i,j;for(i=0;i<maxsize;i++){p->pt[i].pageno=-1;p->pt[i].blockno=-1;p->pt[i].swapspaceno=-1;p->pt[i].exists=0;}for(j=0;j<lode_count;j++){p->fifo[j]=-1;p->lru[j]=-1;p->opt[j]=-1;}
}
void createpage(PCBlist &s)//创建页表
{PCBlist p;p=s->next;int m;int i,j=0,k=0,t=0;m= (int)ceil((double)p->sizes/(double)block_size);p->length=m;p->listn=p->fifon=p->lrun=0;p->absent1=p->absent2=p->absent3=0;p->visit1=p->visit2=0;if(m<=lode_count){for(i=0;i<m;i++)//内存，页表 赋值{while((bitmap[j]!=0))//找位示图中的空闲内存{j++;}bitmap[j]=1;p->pt[i].pageno=i;p->pt[i].blockno=j;//j记录位置p->pt[i].exists=1;}cout<<"该进程的页表如下:"<<endl;cout<<"页号\t\t块号\t\t存在位\t\t置换块号"<<endl;for(i=0;i<m;i++)//页表显示{cout<<p->pt[i].pageno<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].blockno<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].exists<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].swapspaceno;cout<<endl;}}else{for(i=0;i<lode_count;i++){while(bitmap[k]!=0)//找位示图中的空闲内存{k++;}bitmap[k]=1;//修改位示图p->pt[i].pageno=i;p->pt[i].blockno=k;p->pt[i].exists=1;}cout<<"该进程的页表如下:"<<endl;cout<<"页号\t\t块号\t\t存在位\t\t置换块号"<<endl;for(i=0;i<lode_count;i++){cout<<p->pt[i].pageno<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].blockno<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].exists<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].swapspaceno;cout<<endl;}for(i=lode_count;i<m;i++)//将不在内存的页存放在置换空间内{while(swapbitmap[t]!=0)//t是外存块号，i是页号{t++;}swapbitmap[t]=1;p->pt[i].swapspaceno=t;p->pt[i].pageno=i;}cout<<"该进程在置换空间的页表如下:"<<endl;cout<<"页号\t\t块号\t\t存在位\t\t置换块号"<<endl;for(i=lode_count;i<m;i++){cout<<p->pt[i].pageno<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].blockno<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].exists<<'\t'<<'\t';cout<<p->pt[i].swapspaceno;cout<<endl;}}
}
void operateadress(PCBlist s)//计算物理地址
{PCBlist p;p=s->next;cout<<"输入逻辑地址"<<endl;int a,b,c,d;cin>>a;b=a/block_size;//计算页号c=a%block_size;//计算页内偏移d=p->length;if(b>d-1)//页号是否大于页表长度cout<<"本次中断，发生越界错误\n";else{if(b>=lode_count){cout<<"不在内存中"<<endl;cout<<"地址为："<<(p->pt[b].swapspaceno)*(block_size)+c<<'\t'<<"块号是 "<<p->pt[b].swapspaceno<<"号"<<'\t'<<'\t'<<"在第"<<(p->pt[b].swapspaceno)/8<<"行"<<'\t'<<"第"<<(p->pt[b].swapspaceno)%8<<"列"<<'\t'<<"偏移量为"<<c<<endl;}else{cout<<"在内存中"<<endl;cout<<"地址为："<<(p->pt[b].blockno)*(block_size)+c<<'\t'<<"块号是"<<p->pt[b].blockno<<"号"<<'\t'<<'\t'<<"在第"<<(p->pt[b].blockno)/8<<"行"<<'\t'<<"第"<<(p->pt[b].blockno)%8<<"列"<<'\t'<<"偏移量为"<<c<<endl;}}}void pcbover(PCBlist s)
{PCBlist p;p=s->next;cout<<"进程结束后的位示图"<<endl;int i,j;for(i=0;i<3;i++){if(p->pt[i].blockno>=0)bitmap[p->pt[i].blockno]=0;}for(j=3;j<=p->length;j++){if(p->pt[j].swapspaceno>=0)swapbitmap[p->pt[j].swapspaceno]=0;}showbitmap();
}
int findplace(int x,PCBlist p)//查找页面在页表中的位置
{int i;for(i=0;i<=p->length;i++)if(p->pt[i].pageno==x)return i;return -1;
}void FIFO(PCBlist s)
{PCBlist p;p=s->next;int i,j,k,a,b,c,d,x,y,z,temp1,temp2;p->visit1++;cout<<"请输入逻辑地址"<<endl;cin>>a;b=a/block_size;//页号/*for(c=0;c<=p->length;i++)if(p->pt[c].pageno==b)break;*/c=findplace(b,p);//查找页号在页表中的位置p->optlist[p->listn]=b;//将页面存在总的页面序列中，为opt做准备p->listn++;if(a>p->sizes)cout<<"发生越界错误"<<endl;else{for(i=0;i<3;i++)if(b==p->fifo[i])break;z=i;if(z!=3)//页面在队列中{cout<<"不缺页"<<endl;for(i=0;i<3;i++){if(p->fifo[i]!=-1)cout<<p->fifo[i]<<" ";}cout<<endl;}else{ p->absent1++;if(p->fifon<3)//队列未满{if(p->pt[c].exists==1)//所缺页面在内存中{p->fifo[p->fifon]=p->pt[c].pageno;for(k=0;k<3;k++){if(p->fifo[k]!=-1)cout<<p->fifo[k]<<" ";}(p->fifon)++;cout<<endl;}else{for(j=0;j<lode_count;j++)//寻找不在队列里的的页面作为要交换的页面；if( (p->pt[j].pageno!=p->fifo[0])&&(p->pt[j].pageno!=p->fifo[1])&&(p->pt[j].pageno!=p->fifo[3]))break;d=j;p->fifo[p->fifon]=p->pt[c].pageno;temp1=p->pt[d].pageno;//交换页号p->pt[d].pageno=p->pt[c].pageno;p->pt[c].pageno=temp1;for(k=0;k<3;k++){if(p->fifo[k]!=-1)cout<<p->fifo[k]<<" ";}(p->fifon)++;cout<<endl;cout<<"内存中没有此页面，从外存中调入的 "<<endl;}}else//队列已满{if(p->pt[c].exists==1){p->fifo[0]=p->fifo[1];p->fifo[1]=p->fifo[2];p->fifo[2]=p->pt[c].pageno;for(k=0;k<3;k++){if(p->fifo[k]!=-1)cout<<p->fifo[k]<<" ";}cout<<endl;}else{x=p->fifo[0];p->fifo[0]=p->fifo[1];p->fifo[1]=p->fifo[2];p->fifo[2]=p->pt[c].pageno;y=findplace(x,p);temp2=p->pt[y].pageno;p->pt[y].pageno=p->pt[c].pageno;p->pt[c].pageno=temp2;for(k=0;k<3;k++){if(p->fifo[k]!=-1)cout<<p->fifo[k]<<" ";}cout<<endl;cout<<"内存中没有此页面，从外存中调入的 "<<endl;}}}}cout<<"置换次数为:"<<p->absent1<<"次 "<<" 缺页率为："<<(p->absent1/p->visit1)*100<<"%"<<endl;
}
void LRU(PCBlist s)
{PCBlist p;p=s->next;int i,j,k,a,b,c,d,x,y,z,m,temp1,temp2,temp3,l;//a输入的地址，l判断队列是否存在元素的下标p->visit2++;cout<<"请输入逻辑地址"<<endl;cin>>a;b=a/block_size;//页号c=findplace(b,p);//查找页号在页表中的位置p->optlist[p->listn]=b;//将页面存在总的页面序列中，为opt做准备p->listn++;if(a>=p->sizes)cout<<"发生越界错误"<<endl;else{for(l=0;l<3;l++)//lru队列是否存在此数if(b==p->lru[l])break;z=l;//cout<<z<<endl;if(z!=3)//页面在队列中{cout<<"不缺页"<<endl;temp1=p->lru[z];//temp1为存在的那个元素if(p->lrun<=2){p->lru[z]=p->lru[p->lrun-1];p->lru[p->lrun-1]=temp1;}else{for(m=z;m<3;m++)p->lru[m]=p->lru[m+1];p->lru[2]=temp1;}for(i=0;i<3;i++){if(p->lru[i]!=-1)cout<<p->lru[i]<<" ";}cout<<endl;}else//不再队列中{ p->absent2++;//置换次数+1；if(p->lrun<3)//队列未满{if(p->pt[c].exists==1)//所缺页面在内存中{p->lru[p->lrun]=p->pt[c].pageno;for(k=0;k<3;k++)//显示{if(p->lru[k]!=-1)cout<<p->lru[k]<<" ";}(p->lrun)++;cout<<endl;}else//外存中{for(j=0;j<lode_count;j++)//寻找队列中第一个空的物理快；if((p->pt[j].pageno!=p->lru[0])&&(p->pt[j].pageno!=p->lru[1])&&(p->pt[j].pageno!=p->lru[2]))break;d=j;p->lru[p->lrun]=p->pt[c].pageno;temp2=p->pt[d].pageno;//交换页号p->pt[d].pageno=p->pt[c].pageno;p->pt[c].pageno=temp2;for(k=0;k<3;k++){if(p->lru[k]!=-1)cout<<p->lru[k]<<" ";}(p->lrun)++;cout<<endl;cout<<"内存中没有此页面，从外存中调入的 "<<endl;}}else//队列满了{if(p->pt[c].exists==1){p->lru[0]=p->lru[1];p->lru[1]=p->lru[2];p->lru[2]=p->pt[c].pageno;for(k=0;k<3;k++){if(p->lru[k]!=-1)cout<<p->lru[k]<<" ";}(p->lrun)++;cout<<endl;}else{x=p->lru[0];p->lru[0]=p->lru[1];p->lru[1]=p->lru[2];p->lru[2]=p->pt[c].pageno;y=findplace(x,p);temp3=p->pt[y].pageno;p->pt[y].pageno=p->pt[c].pageno;p->pt[c].pageno=temp3;for(k=0;k<3;k++){if(p->lru[k]!=-1)cout<<p->lru[k]<<" ";}(p->lrun)++;cout<<endl;cout<<"内存中没有此页面，从外存中调入的 "<<endl;}}}}cout<<"置换次数为:"<<p->absent2<<"次 "<<" 缺页率为："<<(p->absent2/p->visit2)*100<<"%"<<endl;
}
void out(PCBlist p)
{while(p->next!=NULL){cout<<p->next->name<<" ";cout<<p->next->sizes<<" ";p=p->next;}cout<<"\n";
}
void show(PCBlist p)//就绪状态和堵塞状态展示
{while(p->next){cout<<p->next->name<<" ";p=p->next;}
}
void runshow(int m)//执行状态展示
{if(m==0)cout<<"没有正在执行的进程"<<endl;elsecout<<m<<endl;
}
void add(PCBlist &l,int name,int sizes)
{PCBlist p=l;PCBlist s=new PCB;s->name=name;s->sizes=sizes;s->next=NULL;if(p->next==NULL)//进程链为空添加节点{p->next=s;}else{while(p->next!=NULL)//进程链不为空添加节点{p=p->next;}p->next=s;}
}
void showall(PCBlist p1,PCBlist p2,int m)//进程状态显示
{cout<<"就绪状态为:";show(p1);cout<<endl;cout<<"执行状态为:";runshow(m);cout<<"阻塞状态为:";show(p2);cout<<endl;
}
int main()
{int n,number,c,m=0,j=0,sizes,temp;//m为正在执行的进程标号 n菜单选择 number进程名，sizes进程的大小 c唤醒进程PCBlist ready=new PCB;ready->next=NULL;PCBlist blocked=new PCB;blocked->next=NULL;running=new PCB;running->next=NULL;PCBlist pa=ready,pb=blocked,pc=ready,pd=blocked;PCBlist p,q;while(true){cout<<"欢迎来到我的页式存储管理系统"<<endl;cout<<"1-创建进程"<<endl;cout<<"2-时间片到"<<endl;cout<<"3-进程阻塞"<<endl;cout<<"4-唤醒进程"<<endl;cout<<"5-结束进程"<<endl;cout<<"6-创建位图"<<endl;cout<<"7-创建并显示进程的页表"<<endl;cout<<"8-显示位图"<<endl;cout<<"9-地址变换"<<endl;cout<<"10-LRU算法"<<endl;cout<<"11-FIFO算法"<<endl;cout<<"13-显示执行进程信息"<<endl;cout<<"0-退出"<<endl;cout<<"请根据功能输入序号"<<endl;cin>>n;switch(n){case 1://创建进程{cout<<"请输入进程名字(用0~9表示):";cin>>number;cout<<"请输入进程大小:";cin>>sizes;add(ready,number,sizes);if(m==0)//如果还没有正在执行的进程{if(ready->next!=NULL)//就绪队列不为空{add(running,ready->next->name,ready->next->sizes);temp=ready->next->name;//获取队头进程（就绪队列第一个元素）ready->next=ready->next->next;//将就绪状态变为执行状态m=temp;}showall(ready,blocked,m);}else{showall(ready,blocked,m);}break;}case 2://时间片到{if(m!=0){add(ready,m,running->next->sizes);//将正在执行的进程添加到就绪状态中m=0;running->next=NULL;if(ready->next!=NULL){//running->next=ready->next;add(running,ready->next->name,ready->next->sizes);temp=ready->next->name;ready->next=ready->next->next;m=temp;}//将此时就绪队列的队头变为执行状态showall(ready,blocked,m);}else{cout<<"没有正在进行的进程"<<endl;}break;}case 3://进程阻塞{if(m==0)cout<<"没有正在进行的进程"<<endl;else{add(blocked,m,running->next->sizes);//将阻塞的进程添加到阻塞队列m=0;running->next=NULL;if(ready->next!=NULL){add(running,ready->next->name,ready->next->sizes);temp=ready->next->name;ready->next=ready->next->next;m=temp;}//将此时就绪队列的队头变为执行状态showall(ready,blocked,m);}break;}case 4://唤醒进程{if(blocked->next==NULL)cout<<"没有正在阻塞的进程"<<endl;else{cout<<"请输入要唤醒的进程"<<endl;cin>>c;while(pb->next->name!=c)//找到要唤醒的进程pb=pb->next;add(ready,pb->next->name,pb->next->sizes);//将要唤醒的进程添加到就绪队列中if(pb->next->next!=NULL)pb->next=pb->next->next;elsepb->next=NULL;//showall(ready,blocked,m);}if(m==0)//如果没有正在执行的进程{if(ready->next!=NULL){add(running,ready->next->name,ready->next->sizes);temp=ready->next->name;m=temp;ready->next=ready->next->next;}showall(ready,blocked,m);}else{showall(ready,blocked,m);}break;}case 5://结束进程{pcbover(running);m=0;running->next=NULL;if(ready->next!=NULL){add(running,ready->next->name,ready->next->sizes);//out(ready);temp=ready->next->name;ready->next=ready->next->next;m=temp;}showall(ready,blocked,m);break;}case 6:createbitmap();showbitmap();break;case 7:{initpagetable(running);p=running->next;if(p->pt[0].pageno!=-1)cout<<"页表已经创建"<<endl;else{initpagetable(running);createpage(running); break;}break;}case 8:showbitmap();break;case 9:operateadress(running);break;case 10:LRU(running);break;case 11:FIFO(running);break;case 13:out(running);break;case 0:exit(0);}}return 0;
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