页面淘汰算法模拟实现与比较

1. 实验目的

理解并掌握主要页面淘汰算法的设计和实现要旨。

2. 实验内容

利用标准 C 语言，编程设计与实现最佳淘汰算法、先进先出淘汰算法、最近最久未使用淘汰算法、简单 Clock 淘汰算法及改进型 Clock 淘汰算法，并随机发生页面访问序列开展有关算法的测试及性能比较。

3. 实验要求

本实验课题功能设计要求如下：

1. 编程设计实现最佳淘汰算法OPT、先进先出淘汰算法FIFO、最近最久未使用淘汰算法LRU、简单Clock 淘汰算法及改进型 Clock 淘汰算法；
2. 编程设计实现页面访问序列的随机发生机制，包括各页面读写访问方式的设定以满足改进型 Clock 淘汰算法的要求；
3. 在执行进程和访问各页面过程中，每访问一个（或一次）页面应显示输出当时的进程页表内容（包括页号、物理块号、状态位、读/写访问方式等字段）及本次页面访问操作情况（譬如页面已在内存或触发缺页中断）；
4. 基于相同的条件，包括系统均采用固定分配局部置换策略、相同的进程逻辑地址空间大小（暨逻辑页面数，设进程逻辑地址空间的页面总数为 N，则其页号取值区间为[0, N)）、分配给进程同样多的物理块（设进程分配获得 S 个物理块，则相应物理块号分别标记为 PF0、PF1、……、PFS-1）、相同的页面访问序列（整数序列，整数取值区间为[0, N)）、均预装入前三个页面，进行有关算法的测试；
5. 变换上述条件实施多次测试，统计分析和比较有关算法的性能（譬如缺页率、淘汰页查找时间开销）。

关于页面访问序列随机发生机制的设计思想：

• 初始化进程逻辑地址空间页面总数 N、各逻辑页面的读写访问方式（是否支持写访问，即 R、RW）、工作集起始页号 s（s∈[0, N)）、工作集中包含的页数 w，工作集移动速率 v（每处理 v 个页面访问，就将工作集起始页号递增即 s+1）以及一个取值区间为[0, 1]的值 t；
• 生成取值区间为[s, min(s+w, N-1)]的 v 个随机数并添加保存到页面访问序列中，同 时为每次页面访问分别生成一个取值区间为[0, 1]的随机数，若该随机数值大于 0.7 且对应所访问页面支持写访问则设定以写方式访问相应页面，否则以读方式访问对应页面；
• 生成取值区间为[0, 1]的一个随机数 r，并比较 r 与 t 的大小；
• 若 r < t，则为 s 生成一个新值（s∈[0, N)），否则 s = (s + 1) mod N；
• 如果想继续加大页面访问序列的长度，返回第 2 步，否则结束。

4. 实验过程

4.0 整体设计

4.0.1 数据结构

• 页表结构设计

假设虚拟内存的地址是16位，页面大小为1K，则进程的大小为$2^{16}=64KB$

$分页个数=\frac{进程的大小}{页面的大小}=\frac{逻辑地址表示的大小}{页面的大小}=\frac{2^{16B}}{1KB}=2^6页$

因此页号P占用前6位，页内偏移量W=16-6=10位。每一个页表项占用2B,因此页表存储空间需要$2^6\ast 2B=128B$

页面结构以及页表项设计如下：

struct PageInfo       //页面信息结构
 {
    int  pages[MAX];  // 模拟的最大访问页面数
    int  isVisited;         // 标志位，0表示无页面访问数据
    int  page_missing_num;    // 缺页中断次数
    int  allocated_page_num;     // 分配的页框数
    int  visit_list_length;     // 访问页面序列长度
} pInfo;

struct MemInfo  // 页表项信息
{
    int time; //记录页框中数据的访问次数
    int isVisit;//访问位
    int isModify;//修改位
    int pages;//页号
}mInfo;

• 关键全局变量

MemInfo pageList[MAX];         // 分配的页框
int  page_loss_num = 0;        // 缺页次数
int  current_page;             //页面访问指针
int  replace_page;             //页面替换指针
int  is_loss_page;             //缺页标志:1->缺页,0->命中

4.0.2 主要函数

• Init 初始化

void Init()
{
    int i, pn;
    is_loss_page = 0;              //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    pInfo.page_missing_num = 0;   // 缺页次数
    pInfo.isVisited = 0;        // 标志位，0表示无页面访问数据
    printf("请输入分配的页框数：");   // 自定义分配的页框数
    scanf("%d", &pn);
    pInfo.allocated_page_num = pn;
    for (i = 0; i < MAX; i++)   // 清空页面序列
    {
            pInfo.pages[i] = -1;
    }
}

• getRandomList 随机生成访问序列

算法流程如下：

1. 确定虚拟内存的尺寸N，工作集的起始位置p，工作集中包含的页数e，工作集移动率m（每处理m个页面访问则将起始位置p +1），
2. 以及一个范围在0和1之间的值t；
3. 生成m个取值范围在p和p + e间的随机数，并记录到页面访问序列串中；
4. 生成一个随机数r，0 ≤ r ≤ 1；如果r < t，则为p生成一个新值，否则p = (p + 1) mod N；
5. 如果想继续加大页面访问序列串的长度，请返回第2步，否则结束。

具体实现如下：

void getRandomList(int m, int e, int s)
{
    int pl;
    Init();     //初始化
    printf("请输入访问序列的长度：");
    scanf("%d", &pl); //随机生成访问序列的长度
    pInfo.visit_list_length = pl;
    srand((unsigned)time(NULL)); // 随机种子
    int  p = rand() % MAX; //在0——MAX范围内随机初始化工作集的起始位置p
    int i, j=0;
    double t= rand() % 10 / 10.0; // 一个范围在0和1之间的值t
    for (i = 0; i < s; i++) // 重复s次
    {
        if (j > pInfo.visit_list_length) // 不能超过访问序列的长度
            break;
        for (j = i * m; j < (i + 1) * m; j++)//生成m个取值范围在p~p + e间的随机数
        {
            pInfo.pages[j]= (p + (rand() % e)) % MAX; //并记录到页面访问序列串中；
        }
        double r = (rand() % 10) / 10.0;// 生成一个范围在0-1之间的随机数r
        if (r < t) // 如果r < t，则为p生成一个新值
            p = rand() % MAX;
        else
        {
            p = (p + 1) % MAX; //否则向后循环移位
        }
    }
}

• showState跟踪显示状态信息

算法流程如下：

1. 如果current_page=0, 则说明当前页面指针处于起始位置，则首先遍历pInfo.pages[i]数组，打印页面的访问序列。其具体格式为每行显示10个等访问的页面。
2. 打印当前要访问的页号
3. 打印当前页框内已经有的页面号
4. 通过is_loss_page 判断是否发生中断。如果发生中断，则用缺页数/已访问的页面数计算得到缺页率并显示给用户。

具体实现如下：

void showState(void)
{
    int i, n;
    if (current_page == 0)
    {
        printf("\n~~~~~~~~~~~~~~~~~页面访问序列~~~~~~~~~~~~~~~~~\n");
        for (i = 0; i < pInfo.visit_list_length; i++)
        {
            printf("%4d", pInfo.pages[i]);
            if ((i + 1) % 10 == 0) printf("\n");   //每行显示10个
        }
        printf("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\n");
    }
    printf("访问%3d -->内存空间[", pInfo.pages[current_page]); // 访问当前页面信息
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)     // 页框信息
        {
        if (pageList[n].pages >= 0)
            printf("%3d", pageList[n].pages);
        else
            printf("   ");
        }
    printf(" ]");
    if (is_loss_page == 1)     //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
        {
        printf(" --> 缺页中断 --> ");
        if (current_page == 0)
        {
            printf("缺页率 = %3.1f", (float)(pInfo.page_missing_num) * 100.00 );
        }
        else{
            printf("缺页率 = %3.1f", (float)(pInfo.page_missing_num) * 100.00 / current_page); }
        }
    printf("\n");
}

• isExist 查找页面是否已经在内存中

算法流程如下：

1. 遍历所有在内存中的页面，同时使得访问次数加1
2. 然后再次遍历内存，寻找匹配页号的页表项
3. 如果找到该页表项，则置is_loss_page缺页标志=0（不缺页），同时访问次数time 也置为0，然后通过随机生成的0或者1，来设置该访问页面是否被修改。并返回1。
4. 如果没有找到该页面，则缺页中断的次数+1，同时返回0。

int isExist(int page)
{
    int n;
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
        pageList[n].time++;   // 访问次数加1
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
    {
        if (pageList[n].pages == page)
        {
            is_loss_page = 0;    //is_loss_page缺页标志=0（不缺页）
            pageList[n].time = 0;   //置访问次数为0
            pageList[n].isVisit = 1; // 访问标志
            if (randBool()) {       
                pageList[n].isModify = 1; // 修改标志
            }
            return 1;
        }
    }
    is_loss_page = 1;  	//页面不存在，缺页
    return 0;
}

其中调用了randBool()函数，随机的生成0或者1，其具体实现如下

bool randBool()
{
    if ((rand() % 2 + 1) == 1)
        return true;
    else
        return false;
}

4.1 最佳淘汰算法（OPT）

4.1.1 原理介绍

算法规则：选择永不使用或是在最长时间内不再被访问（即距现在最长时间才会被访问）的页面淘汰出内存。

假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下页面访问序列：
[7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1]
进程运行时，先将7, 0, 1三个页面依次装入内存。进程要访问页面2时，产生缺页中断，根据最佳置换算法，选择第18次访问才需调入的页面7予以淘汰。然后，访问页面0时，因为已在内存中所以不必产生缺页中断。访问页面3时又会根据最佳置换算法将页面1淘汰……依此类推。

页面	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
页面1	7	7	7	2		2		2			2			2				7
页面2		0	0	0		0		4			0			0				0
页面3			1	1		3		3			3			1				1
缺页	√		√	√		√		√			√			√				√

4.1.2 代码实现

算法流程图如下：

OPT 算法具体实现如下：

void OPT()
{
    int n, full, status;
    replace_page = 0;   // 页面替换指针初始化为0
    page_loss_num = 0;  // 缺页数初始化为0
    full = 0;           // 已经占用的页框数
    is_loss_page = 0;   //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
        pageList[n].pages = -1; 
    for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++)  // 遍历所有的访问页面
        {
        status = isExist(pInfo.pages[current_page]);  //查找页面是否在内存
        if (full < pInfo.allocated_page_num)    // 当已经占用的页框数< 分配的页框数时，则不可能发生缺页
         {
            if (status == 0)    // 页不存在则装入页面
                {
                    pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page]; // 当前位置放入新的页面
                    replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num; //循环后移一位
                    full++; // 已经装入的页面数+1
                }
         }
        else      // 页框已经满，缺页置换
        {
            if (status == 0)    // 页不存在则置换页面
                {
                int min,max = 0 ; //很大的数
                for (int m = 0; m < pInfo.allocated_page_num ; m++) // 遍历页框中以占用的页号
                {
                    min = 1000;
                    for (int n = current_page; n < pInfo.visit_list_length; n++)// 向后查找访问序列
                    {
                        if (pInfo.pages[n] == pageList[m].pages) // 找到在当前内存出现过的页面
                        {
                            min = n;
                            break;
                        }
                    }
                    if (max < min)
                    {
                        max = min;
                        replace_page = m; // 距离当前页面最远的被置换
                    }
                }
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page]; // 置换动作
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                pInfo.page_missing_num++;     // 置换次数加1
                }
        }
        Sleep(10);
            showState();       // 显示当前状态
        }	 // 置换算法循环结束
        _getch();
    return;
}

4.1.3 测试结果

• 初始化设置
  • m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；
  • 选择算法1：最佳淘汰算法OPT

• 页面置换过程
  • 当发生缺页中断，需要置换时，所选择的被淘汰页面将是以后永不使用的，或者是在最长时间内不再被访问的页面。验证了程序的正确性。
  • 置换率=42.1% 运行时长=0.327s

4.2 先进先出淘汰算法（FIFO）

4.2.1 原理介绍

算法规则：在发生页面替换时，被替换的对象应该是最早进入内存的。

仍然采用上述的例子，此时页面置换过程如下表所示

页面	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
页面1	7	7	7	2		2	2	4	4	4	0			0	0			7	7	7
页面2		0	0	0		3	3	3	2	2	2			1	1			1	0	0
页面3			1	1		1	0	0	0	3	3			3	2			2	2	1
缺页	√	√	√	√		√	√	√	√	√	√			√	√			√	√	√

4.2.2 代码实现

• FIFO算法流程图如下所示：
  

• FIFO 页面置换算法具体实现如下：

void FIFO(void)
{
    int n, full, status;
    replace_page = 0;   // 页面替换指针初始化为0
    page_loss_num = 0;  // 缺页数初始化为0
    full = 0;           // 是否装满是所有的页框
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
        pageList[n].pages = -1;
    is_loss_page = 0;   //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++)  // 执行算法
        {
        status = isExist(pInfo.pages[current_page]);  //查找页面是否在内存
        if (full < pInfo.allocated_page_num)    // 开始时不计算缺页
            {
            if (status == 0)    // 页不存在则装入页面
                {
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                full++;
                }
            }
        else      // 正常缺页置换
        {
            if (status == 0)    // 页不存在则置换页面
                {
                    pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                    replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                    pInfo.page_missing_num++;     // 缺页次数加1
                }
        }
        Sleep(10);
            showState();       // 显示当前状态
        }	 // 置换算法循环结束
        _getch();
    return;
}

4.2.3 测试结果

• 初始化设置

  • m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；

  • 选择算法2：先进先出淘汰算法

• 置换过程

  • 从如下测试结果可以看出，当需要淘汰一个页面时，总是选择驻留主存时间最长的页面进行淘汰，即先进入主存的页面先淘汰。证明了程序的正确性
  • 置换率=63.2 运行时长=0.327
    

4.3 最近最久未使用淘汰算法（LRU）

4.3.1 原理介绍

算法规则：在发生页面替换时，被替换的页面应该满足，在之前的访问队列中，该对象截止目前未被访问的时间最长。

仍然采用上述的例子，此时页面置换过程如下表所示

页面	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
页面1	7	7	7	2		2		4	4	4	0			1		1		1
页面2		0	0	0		0		0	0	3	3			3		0		0
页面3			1	1		3		3	2	2	2			2		2		7
缺页	√	√	√	√		√		√	√	√	√			√		√		√

4.3.2 代码实现

• LRU算法流程图如下：

• LRU页面置换算法具体实现如下：

void LRU(void)
{
    int n, full, status, max;
    replace_page = 0;          // 页面替换指针
    page_loss_num = 0;  // 缺页次数初始化为0

    full = 0;           // 是否装满所有的页框
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
    {
        pageList[n].pages = -1;    // 清除页框信息
        pageList[n].time = 0;   // 清除页框历史
    }
    is_loss_page = 0;    //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++)  // 执行算法
        {
        status = isExist(pInfo.pages[current_page]);  //查找页面是否在内存
        if (full < pInfo.allocated_page_num)   // 开始时不计算缺页
            {
            if (status == 0)   // 页不存在则装入页面
                {
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page]; //把要调入的页面放入一个空的页框里
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                full++;
                }
            }
        else //正常缺页置换
        {
            if (status == 0)//页不存在则置换页面
                {
                max = 0;
                for (n = 1; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
                {
                    if (pageList[n].time > pageList[max].time)
                    {
                        max = n;
                    }
                }
                replace_page = max;
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                pageList[replace_page].time = 0;
                pInfo.page_missing_num++;  // 缺页次数加1
                }
        }
        Sleep(10);
            showState();    // 显示当前状态
        } 	// 置换算法循环结束
        _getch();
    return;
}

4.3.3 测试结果

• 初始化设置

  • m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；

  • 选择算法3：先进先出淘汰算法

• 页面置换过程

  • 如下图可以看出，当需要淘汰一个页面时，总是选择在最近一段时间内最久不用的页面予以淘汰。证明了程序的正确性。
  • 置换率=57.9 运行时长=0.33

4.4 简单Clock 淘汰算法（NRU）

4.4.1 原理介绍

算法规则：简单的CLOCK算法实现方法:为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置为1。当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出;如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面，若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面，因此简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描)

4.4.2 代码实现

• 简单CLOCk算法流程图如下：

• 算法具体实现如下：

CLOCK_pro 是CLOCK算法的入口参数，其中会传入参数choose。当choose =1时采用改进的clock算法，当choose =0时采用基本的clock算法。

void CLOCK_pro(int choose)
{
    int n, full, status;
    int num = -1;
    replace_page = 0;          // 页面替换指针初始化为0
    page_loss_num = 0;  // 缺页数初始化为0

    full = 0;           // 是否装满是所有的页框
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
    {
        pageList[n].pages = -1;
        pageList[n].isModify = 0;
        pageList[n].isVisit = 0;
        pageList[n].time = 0;
     }
    is_loss_page = 0;   //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++)  // 执行算法
        {
        status = isExist(pInfo.pages[current_page]);  //查找页面是否在内存
        if (full < pInfo.allocated_page_num)    // 开始时不计算缺页
        {
            if (status == 0)    // 页不存在则装入页面
            {
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                pageList[n].isVisit = 1;
                full++;
            }
        }
        else      // 正常缺页置换
        {
            if (status == 0)    // 页不存在则置换页面
                {
                    if(choose==1)
                        replace_page = replace_page_pro(++num); // 当choose =1时采用改进的clock算法
                    else if(choose==0)
                        replace_page = replace_page_clock(++num); // 当choose =0时采用基本的clock算法
                    pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                    pageList[replace_page].isVisit = 1;
                    pInfo.page_missing_num++;     // 缺页次数加1
                }
        }
        Sleep(10);
            showState();       // 显示当前状态
        }	 // 置换算法循环结束
        _getch();
    return;
}

然后replace_page_clock 实现了基本CLOCK算法的置换策略，具体代码如下：

int replace_page_clock(int num) {
    int j;
    // 将所有可能被置换的页面排成一个循环队列,用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态
    // 1.当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出;如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 )
            return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
        pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
    }
    //2. 若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 )
            return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
    }
}

4.4.3 测试结果

• 初始化设置

  • m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；

  • 选择算法4：基本的CLOCK算法

• 页面置换过程

  • 如下图程序所示，正进行页面置换的过程中，总是优先淘汰未访问的页面。 证明了程序的正确性。
  • 置换率=42.1 运行时长=0.323s
    

4.5 改进型 Clock 淘汰算法

4.5.1 原理介绍

算法规则：简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上，如果被淘汰的页面没有被修改过，就不需要执行I/o操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存。
因此，除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外，操作系统还应考虑页面有没有被修改过。在其他条件都相同时，应优先淘汰没有修改过的页面，避免I/o操作。这就是改进型的时钟置换算法的思想。修改位=o，表示页面没有被修改过;修改位=1，表示页面被修改过。为方便讨论，用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态。如(1，1）表示一个页面近期被访问过，且被修改过。

将所有可能被置换的页面排成一个循环队列

1. 从当前位置开始扫描到第一个(0,0)的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
2. 若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1)的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0
3. 若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
4. 若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1）的帧用于替换。由于第二轮已将所有帧的访问位设为0，因此经过第三轮、第四轮扫描一定会有一个帧被选中，因此改进型CLOCK置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描

4.5.2 代码实现

• 改进的CLOCk算法流程图如下

• 代码具体实现如下

int replace_page_pro(int num) {
    int j;
    // 将所有可能被置换的页面排成一个循环队列,用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态
    // 1.从当前位置开始扫描到第一个(0,0)的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 0)
            return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
    }
    //2. 若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1)的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 1)
            return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
        pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
    }
    // 3.若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 0)
            return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
    }
    //4. 若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1）的帧用于替换。
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 1)
            return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
        // pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
    }
}

4.5.3 测试结果

• 初始化设置

  • m=8,e=8,s=10; 页框数=3，访问序列长度=20；

  • 选择算法5：改进的CLOCK算法

页面置换过程

• 如下图程序所示，正进行页面置换的过程中，总是在每次页面替换时，总是尽可能地先替换掉既未被访问又未被修改的页面。证明了程序的正确性。
• 置换率=42.1 运行时长=0.334s
  

4.6 算法性能对比

由于上述的生成访问随机序列较小，且只考虑了页框大小为3的情况。因此，需要改变页框数和增大访问序列来对比算法的命中率，并对不同的实验情况的置换率和系统开销求得平均值，统计如下表所示：

算法名称 \ 性能	置换率	系统开销
OPT	25.4%	431ms
FIFO	43.1%	336ms
LRU	42.7%	362ms
CLOCK	35.2%	384ms
CLOCK_pro	32.6%	398ms

• 置换率比较

  最佳置换算法 < 改进型clock置换算法 <clock算法<最近最久未使用算法 <先进先出置换算法

• 系统开销比较

  先进先出置换算法 < 最近最久未使用算法 < clock算法<改进型clock置换算法 < 最佳置换算法

5. 心得体会

通过这次实验我更加熟悉了操作系统页面置换算法的流程，并通过编写代码实现了5种置换算法。通过对比其置换率和系统开销，分析出了不同算法的优缺点和特性。同时也提升了我的编程能力，受益匪浅。

6. 源代码附录

#include "windows.h"
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <io.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include<iostream>
#include<time.h>
using namespace std;
#define MAX 64


void FIFO();          //先进先出算法
void OPT();          //最佳置换算法
void LRU();           //最近最久未使用算法
void CLOCK_pro(int choose);        //改进型Clock置换算法
void Init();    //初始化相关数据结构
void getRandomList(int m, int e, int s);      //随机生成访问序列
void showState();   //显示当前状态及缺页情况
int  isExist(int page);      //查找页面是否在内存
bool randBool(); // 随机生成0或1

struct PageInfo       //页面信息结构
 {
    int  pages[MAX];  // 模拟的最大访问页面数
    int  isVisited;         // 标志位，0表示无页面访问数据
    int  page_missing_num;    // 缺页中断次数
    int  allocated_page_num;     // 分配的页框数
    int  visit_list_length;     // 访问页面序列长度
} pInfo;

struct MemInfo  // 页表项信息
{
    int time; //记录页框中数据的访问历史
    int isVisit;//访问位
    int isModify;//修改位
    int pages;//页号,16位信息，前6位代表页号，后10位为偏移地址 0~2^16
}mInfo;

MemInfo pageList[MAX];      // 分配的页框

int  page_loss_num = 0;                 // 缺页次数
int  current_page;             //页面访问指针
int  replace_page;             //页面替换指针
int  is_loss_page;            //缺页标志，0为不缺页，1为缺页


//初始化相关数据结构
void Init()
{
    int i, pn;
    is_loss_page = 0;              //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    pInfo.page_missing_num = 0;   // 缺页次数
    pInfo.isVisited = 0;        // 标志位，0表示无页面访问数据
    printf("请输入分配的页框数：");   // 自定义分配的页框数
    scanf("%d", &pn);
    pInfo.allocated_page_num = pn;
    for (i = 0; i < MAX; i++)   // 清空页面序列
    {
            pInfo.pages[i] = -1;
    }
}


// 随机生成访问序列
void getRandomList(int m, int e, int s)
{
    int pl;
    Init();     //初始化
    printf("请输入访问序列的长度：");
    scanf("%d", &pl); //随机生成访问序列的长度
    pInfo.visit_list_length = pl;
    srand((unsigned)time(NULL)); // 随机种子
    int  p = rand() % MAX; //在0——MAX范围内随机初始化工作集的起始位置p
    int i, j=0;
    double t= rand() % 10 / 10.0; // 一个范围在0和1之间的值t
    for (i = 0; i < s; i++) // 重复s次
    {
        if (j > pInfo.visit_list_length) // 不能超过访问序列的长度
            break;
        for (j = i * m; j < (i + 1) * m; j++)//生成m个取值范围在p~p + e间的随机数
        {
            pInfo.pages[j]= (p + (rand() % e)) % MAX; //并记录到页面访问序列串中；
        }
        double r = (rand() % 10) / 10.0;// 生成一个范围在0-1之间的随机数r
        if (r < t) // 如果r < t，则为p生成一个新值
            p = rand() % MAX;
        else
        {
            p = (p + 1) % MAX; //否则向后循环移位
        }
    }
}


//  显示当前状态及缺页情况
void showState(void)
{
    int i, n;
    if (current_page == 0)
    {
        printf("\n~~~~~~~~~~~~~~~~~页面访问序列~~~~~~~~~~~~~~~~~\n");
        for (i = 0; i < pInfo.visit_list_length; i++)
        {
            printf("%4d", pInfo.pages[i]);
            if ((i + 1) % 10 == 0) printf("\n");   //每行显示10个
        }
        printf("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\n");
    }
    printf("访问%3d -->内存空间[", pInfo.pages[current_page]);
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)     // 页框信息
        {
        if (pageList[n].pages >= 0)
            printf("%3d", pageList[n].pages);
        else
            printf("   ");
        }
    printf(" ]");
    if (is_loss_page == 1)     //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
        {
            printf(" --> 缺页中断 --> ");
            if (current_page == 0)
            {
                printf("置换率 = %3.1f ", (float)(pInfo.page_missing_num) * 100.00 );
            }
            else{
                printf("置换率 = %3.1f", (float)(pInfo.page_missing_num) * 100.00 / current_page);
            }
        }
    printf("\n");
}


// 查找页面是否在内存，1为在内存，0为不在即缺页
int isExist(int page)
{
    int n;
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
    {
        pageList[n].time++;   // 访问历史加1
    }
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
    {
        if (pageList[n].pages == page)
        {
            is_loss_page = 0;    //is_loss_page缺页标志，0为不缺页，1为缺页
            pageList[n].time = 0;   //置访问历史为0
            if (randBool()) {
                pageList[n].isVisit = 1;
                pageList[n].isModify = 1;
            }
            else {
                pageList[n].isVisit = 1;
            }
            return 1;
        }
    }
    is_loss_page = 1;  	//页面不存在，缺页
    return 0;
}


//  FIFO页面置换算法
void FIFO(void)
{
    int n, full, status;
    replace_page = 0;   // 页面替换指针初始化为0
    page_loss_num = 0;  // 缺页数初始化为0
    full = 0;           // 是否装满是所有的页框
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
        pageList[n].pages = -1;
    is_loss_page = 0;   //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++)  // 执行算法
        {
        status = isExist(pInfo.pages[current_page]);  //查找页面是否在内存
        if (full < pInfo.allocated_page_num)    // 开始时不计算缺页
            {
            if (status == 0)    // 页不存在则装入页面
                {
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                full++;
                }
            }
        else      // 正常缺页置换
        {
            if (status == 0)    // 页不存在则置换页面
                {
                    pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                    replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                    pInfo.page_missing_num++;     // 缺页次数加1
                }
        }
        Sleep(10);
            showState();       // 显示当前状态
        }	 // 置换算法循环结束
        _getch();
    return;
}
// OPT 页面置换算法
void OPT()
{
    int n, full, status;
    replace_page = 0;          // 页面替换指针初始化为0
    page_loss_num = 0;  // 缺页数初始化为0

    full = 0;           // 是否装满是所有的页框
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
    {
        pageList[n].pages = -1;
    }
    is_loss_page = 0;   //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++)  // 执行算法
        {
        status = isExist(pInfo.pages[current_page]);  //查找页面是否在内存
        if (full < pInfo.allocated_page_num)    // 开始时不计算缺页
        {
            if (status == 0)    // 页不存在则装入页面
            {
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                full++;
            }
        }
        else      // 正常缺页置换
        {
            if (status == 0)    // 页不存在,则置换页面
            {
                int min,max = 0 ; //很大的数
                for (int m = 0; m < pInfo.allocated_page_num ; m++)
                {
                    min = 1000;
                    for (int n = current_page; n < pInfo.visit_list_length; n++)
                    {
                        if (pInfo.pages[n] == pageList[m].pages)
                        {
                            min = n;
                            break;
                        }
                    }
                    if (max < min)
                    {
                        max = min;
                        replace_page = m;
                    }

                }
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                pInfo.page_missing_num++;     // 缺页次数加1
            }
        }
        Sleep(10);
            showState();       // 显示当前状态
        }	 // 置换算法循环结束
        _getch();
    return;
}



//查找替换页面算法，递归实现
int replace_page_pro(int num) {
    int j;
    // 将所有可能被置换的页面排成一个循环队列,用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态
    // 1.从当前位置开始扫描到第一个(0,0)的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 0)
            return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
    }
    //2. 若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1)的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 1)
            return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
        pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
    }
    // 3.若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 0)
            return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
    }
    //4. 若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1）的帧用于替换。
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 && pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isModify == 1)
            return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
        // pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
    }
}

int replace_page_clock(int num) {
    int j;
    // 将所有可能被置换的页面排成一个循环队列,用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态
    // 1.当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出;如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 )
            return (j+num) % pInfo.allocated_page_num;
        pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit = 0;
    }
    //2. 若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面
    for (j = 0; j < pInfo.allocated_page_num; j++){
        if (pageList[(j + num) % pInfo.allocated_page_num].isVisit == 0 )
            return (j + num) % pInfo.allocated_page_num;
    }
}
//随机化函数
bool randBool()
{
    if ((rand() % 2 + 1) == 1)
        return true;
    else
        return false;
}


void CLOCK_pro(int choose)
{
    int n, full, status;
    int num = -1;
    replace_page = 0;          // 页面替换指针初始化为0
    page_loss_num = 0;  // 缺页数初始化为0

    full = 0;           // 是否装满是所有的页框
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++) // 清除页框信息
        {
        pageList[n].pages = -1;
        pageList[n].isModify = 0;
        pageList[n].isVisit = 0;
        pageList[n].time = 0;
        }
    is_loss_page = 0;   //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++)  // 执行算法
        {
        status = isExist(pInfo.pages[current_page]);  //查找页面是否在内存
        if (full < pInfo.allocated_page_num)    // 开始时不计算缺页
        {
            if (status == 0)    // 页不存在则装入页面
            {
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                pageList[n].isVisit = 1;
                full++;
            }
        }
        else      // 正常缺页置换
        {
            if (status == 0)    // 页不存在则置换页面
                {
                    if(choose==1)
                        replace_page = replace_page_pro(++num); // 当choose =1时采用改进的clock算法
                    else if(choose==0)
                        replace_page = replace_page_clock(++num); // 当choose =0时采用基本的clock算法
                    pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                    pageList[replace_page].isVisit = 1;
                    pInfo.page_missing_num++;     // 缺页次数加1
                }
        }
        Sleep(10);
            showState();       // 显示当前状态
        }	 // 置换算法循环结束
        _getch();
    return;
}


//  LRU页面置换算法
void LRU(void)
{
    int n, full, status, max;
    replace_page = 0;          // 页面替换指针
    page_loss_num = 0;  // 缺页次数初始化为0

    full = 0;           // 是否装满所有的页框
    for (n = 0; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
    {
        pageList[n].pages = -1;    // 清除页框信息
        pageList[n].time = 0;   // 清除页框历史
    }
    is_loss_page = 0;    //缺页标志，0为不缺页，1为缺页
    for (current_page = 0; current_page < pInfo.visit_list_length; current_page++)  // 执行算法
        {
        status = isExist(pInfo.pages[current_page]);  //查找页面是否在内存
        if (full < pInfo.allocated_page_num)   // 开始时不计算缺页
            {
            if (status == 0)   // 页不存在则装入页面
                {
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page]; //把要调入的页面放入一个空的页框里
                replace_page = (replace_page + 1) % pInfo.allocated_page_num;
                full++;
                }
            }
        else //正常缺页置换
        {
            if (status == 0)//页不存在则置换页面
                {
                max = 0;
                for (n = 1; n < pInfo.allocated_page_num; n++)
                {
                    if (pageList[n].time > pageList[max].time)
                    {
                        max = n;
                    }
                }
                replace_page = max;
                pageList[replace_page].pages = pInfo.pages[current_page];
                pageList[replace_page].time = 0;
                pInfo.page_missing_num++;  // 缺页次数加1
                }
        }
        Sleep(10);
            showState();    // 显示当前状态
        } 	// 置换算法循环结束
        _getch();
    return;
}



//  主函数

int main()
{
    char ch;
    system("cls");
    printf("**********页面置换算法********\n");
    int m,e,s;
    printf("请输入工作集移动率(m):");
    scanf("%d",&m); //8
    printf("请输入工作集包含的页数(e):");
    scanf("%d",&e); //8
    printf("请输入重复次数(s):");
    scanf("%d",&s);  // 10
    getRandomList(m, e, s);  // 随机生成访问序列
    clock_t start, finish;
    double totaltime;
    while (true)
    {
        printf("====================MENU=========================\n");
        printf("1. 最佳淘汰算法(OPT)\n");
        printf("2. 先进先出淘汰算法(FIFO)\n");
        printf("3. 最近最久未使用淘汰算法(LRU)\n");
        printf("4. 基本的Clock 淘汰算法\n");
        printf("5. 改进型的Clock 淘汰算法\n");
        printf("=================================================\n");
        printf("请输入选择的算法(1/2/3/4/5): ");
        ch = (char)_getch();
        switch (ch) {
            case '1':
                printf("\n《------------1. 最佳淘汰算法(OPT)--------------》\n");
                start = clock();
                OPT();
                finish = clock();
                totaltime = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;
                cout << "\n运行总时长= " << totaltime << " 秒" << endl;
                break;
            case '2':
                printf("\n\n《----------2. 先进先出淘汰算法(FIFO)------------》\n");
                start = clock();
                FIFO();
                finish = clock();
                totaltime = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;
                cout << "\n运行总时长= " << totaltime << " 秒" << endl;
                break;
            case '3':
                printf("\n\n《--------3. 最近最久未使用淘汰算法(LRU)-----------》\n");
                start = clock();
                LRU();
                finish = clock();
                totaltime = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;
                cout << "\n运行总时长= " << totaltime << " 秒" << endl;
                break;
            case '4':
                printf("\n\n《------------ 4. Clock 淘汰算法--------------》\n");
                start = clock();
                CLOCK_pro(0);
                finish = clock();
                totaltime = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;
                cout << "\n运行总时长= " << totaltime << "秒" << endl;
                break;
            case '5':
                printf("\n\n《------------ 5. 改进的Clock 淘汰算法--------------》\n");
                start = clock();
                CLOCK_pro(1);
                finish = clock();
                totaltime = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;
                cout << "\n运行总时长= " << totaltime << "秒" << endl;
                break;
            default:
                return 0;
        }
    }
    return 0;
}