2024-06-23 操作系统实验5——模拟页式存储管理

news2024/11/26 18:24:20

文章目录

- 一、实验目的
- 二、实验内容
- 三、实验过程
- 四、结果测试
- 五、实验总结和说明

补录与分享本科实验，以示纪念。

一、实验目的

通过编写和调试请求页式存储管理的模拟程序以加深对请求页式存储管理方案的理解。

二、实验内容

页面淘汰算法可采用FIFO置换算法（或者其他置换算法），在淘汰一页时，判断它是否被改写过，如果被修改过，将它写回到外存上。

数据结构：

（1）虚地址结构

（2）页表结构

#define N 64 // 最大页数 64
#define PAGE_SIZE 1024  // 每页大小 1024
// 页表结构
struct {
	int lNumber; // 页号
	int pNumber; // 物理块号
	int dNumber; // 在磁盘上的位置
	int write;   // 修改标志
	int flag;    // 存在标志
} page[N];

（3）存放页号的队列 p[m]，m 为分配给进程的内存块数。当装入一个新的页面时，将其页号存入数组。在模拟试验中，采用页面预置的方法。
请求页式存储管理算法的流程图如下：

图1：请求页式存储管理模拟程序的完整流程图

图2：一条指令执行的模拟流程图

三、实验过程

实验采用C++语言进行编写。

1、代码结构

int main() {
    // 创建页表，记录长度
    int len = createTable();

    // 打印页表
    printTable(len);

    // 获取内存块数
     int memoryBlocks = getMemoryBlocks(len);

    printTable(len);

    // 执行用户指令
    runUserCommand(len, memoryBlocks);

    return 0;
}

一共分为3个部分：创建页表、获取内存块、执行用户指令。

2、createTable()：创建页表

/**
 * 创建页表
 * @return 页表长度
 */
int createTable() {
	cout << "输入页表的信息，创建页表（输入 -1 则结束）\n";
	int input;
	int i = 0;
	while (true) {
		cout << "输入第 " << i << " 页的辅存地址：";
		cin >> input;
		if (input == -1) break;
		page[i].lNumber = i;
		page[i].pNumber = 0;
		page[i].dNumber = input;
		page[i].write = 0;
		page[i].flag = 0;
		i++;
	}
	return i;
}

3、getMemoryBlocks()：获取内存块

/**
 * 获取主存块号
 * @param len 页表长度，作为主存块数上限
 * @return 主存块数
 */
int getMemoryBlocks(int len) {
	cout << "输入主存块号，总数需小于 " << len << "，（-1 则结束）：\n";
	int input;
	int i = 0;
	while (i < len) {
		cout << "第 " << i << " 个主存块号：";
		cin >> input;
		if (input == -1) break;
		page[i].pNumber = input;
		page[i].flag = 1;
		i++;
	}
	return i;
}

4、runUserCommand()：执行用户指令

/**
 * 执行用户指令
 * @param tableLen 页表长度
 * @param blockNum 主存块数
 */
void runUserCommand(int tableLen, int blockNum) {
	int modify = 0;        // 用户第一个输入，是否修改
	int exitSig = 0;       // 退出标记
	int input;             // 接受用户输入
	int replace[blockNum]; // 循环队列实现 FIFO
	int in = 0;            // 进队列的位置
	int out = 0;           // 出队列的位置

	// 初始化循环队列
	for (int i = 0; i < blockNum; i++) {
		replace[i] = i;
		in++;
		in = in % blockNum;
	}

	// 进入操作循环
	while (true) {
		cout << "输入指令性质（1-修改，0-不修改，其他-结束运行）和逻辑地址：\n";
		cin >> input;

		// 第一个输入
		if (input == 1)
			modify = 1;
		else if (input == 0)
			modify = 0;
		else
			exitSig = 1;

		// 输入逻辑地址
		int addr = 0;
		cin >> addr;

		// 求逻辑地址最大值
		int maxAddr = tableLen * PAGE_SIZE - 1;

		// 页不存在
		if (addr > maxAddr || input < 0) {
			cout << "不存在该页\n";
			continue;
		}

		// 得到逻辑地址所在页号
		int pageIndex = addr / PAGE_SIZE;

		// 记录页内偏移量，用于计算物理地址
		int left = addr % PAGE_SIZE;

		// 命中
		if (page[pageIndex].flag) {
			// 物理地址计算
			int physic = page[pageIndex].pNumber * PAGE_SIZE + left;
			cout << "逻辑地址是： " << addr << " 对应物理地址是：" << physic << "\n";

			// modify 为 1 时置写标记
			if (modify == 1)
				page[pageIndex].write = 1;
		}

		// 未命中
		else {
			// 打印用户要访问的页
			cout << "访问第 " << pageIndex << " 页不在内存，发生缺页中断\n";

			// 利用循环队列找出将被换出的页号 outNum
			int outNum = replace[out];

			// 出指针前进一位
			out++;
			out = out % blockNum;

			// 考虑将被换出的页有没有修改过，如果有须写回
			if (page[outNum].write == 1) {
				cout << "将 " << outNum << " 页写回磁盘第 " << page[outNum].dNumber << " 块\n";
				page[outNum].write = 0;
			}

			cout << "淘汰主存块 " << page[outNum].pNumber << " 中的页 " << outNum << "，从磁盘第 " << page[pageIndex].dNumber
			     << " 块中调入页 " << pageIndex << "\n";

			// 换入
			// 存在标记置 1，主存块号就是即将被换出的主存块号，如果有写标记则置写标记
			page[pageIndex].flag = 1;
			page[pageIndex].pNumber = page[outNum].pNumber;
			page[pageIndex].write = modify;

			// 刚换进的页面要进入循环队列
			replace[in] = pageIndex;

			in++;
			in = in % blockNum;

			// 换出
			// 标记位置 0，主存块号置 0
			page[outNum].flag = 0;
			page[outNum].pNumber = 0;

			// 计算物理地址
			int physic = page[pageIndex].pNumber * PAGE_SIZE + left;
			cout << "逻辑地址是：" << addr << " 对应物理地址是：" << physic << endl;
		}

		// 退出标记为 1，退出循环结束程序
		if (exitSig == 1) break;

		printTable(tableLen);
	}
}

5、printTable()：打印页表

/**
 * 打印页表
 * @param len 页表长度
 */
void printTable(int len) {
	cout << "页表内容：\n";
	for (int i = 0; i < len; i++) {
		cout << "page[" << i << "].lNumber = " << page[i].lNumber << "    "
		     << "page[" << i << "].pNumber = " << page[i].pNumber << "    "
		     << "page[" << i << "].flag = " << page[i].flag << "\n";
	}
}