最近最久未使用（LRU）页面置换算法 C语言实现

广东工业大学 操作系统实验

实验内容

假设每个页面中可存放10条指令，分配给作业的内存块数为4。用C语言模拟一个作业的执行过程，该作业共有320条指令，即它的地址空间为32页，目前它的所有页都还未调入内存。在模拟过程中，如果所访问的指令已在内存，则显示其物理地址，并转下一条指令。如果所访问的指令还未装入内存，则发生缺页，此时需记录缺页的次数，并将相应页调入内存。如果4个内存块均已装入该作业，则需进行页面置换，最后显示其物理地址，并转下一条指令。在所有320指令执行完毕后，请计算并显示作业运行过程中发生的缺页率。

置换算法：采用最近最久未使用（LRU）页面置换算法。

通过随机数产生一个指令序列，共320条指令：
1）指令的地址按下述原则生成：
① 50%的指令是顺序执行的；
② 25%的指令是均匀分布在前地址部分；
③ 25%的指令是均匀分布在后地址部分；
具体的实施方法是：
① 在[0，319]的指令地址之间随机选取一起点m；
② 顺序执行一条指令，即执行序号为m+1的指令；
③ 在前地址[0，m-1]中随机选取一条指令并执行，该指令的序号为m1；
④ 顺序执行一条指令，其序号为m1+1的指令；
⑤ 在后地址[m1+2，319]中随机选取一条指令并执行,该指令的序号为m2；
⑥ 顺序执行一条指令，其序号为m2+1的指令；
重复上述步骤①～⑥，直到执行320次指令。
2）将指令序列变换为页地址流
设页面大小为1K， 用户虚存容量为32K。在用户虚存中，按每K存放10条指令排列虚存地址，即320条指令在虚存中的存放方式为：
第0条～第9条指令为第0页（对应虚存地址为[0，9]）；
第10条～第19条指令为第1页（对应虚存地址为[10，19]）；
……
……
第310条～第319条指令为第31页（对应虚存地址为[310，319]）。
按以上方式，用户指令可组成32页。

代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

float count = 0; //缺页次数
int instrAddr[320]; //指令地址流数组
int pageAddr[320]; //页地址流数组

typedef struct Data //数据域
{
    int pageNum; //装进的用户虚存页号
    int blockNum; //块号
    int t; //自上次被访问以来所经历的时间
} Data;

typedef struct BlockNode //单向循环链表
{
    Data data;
    struct BlockNode *next;
} Block, *BlockList;

//定义内存块
BlockList block1;
BlockList block2;
BlockList block3;
BlockList block4;

void initialize() //初始化
{
    block1 = (BlockList)malloc(sizeof(Block));
    block2 = (BlockList)malloc(sizeof(Block));
    block3 = (BlockList)malloc(sizeof(Block));
    block4 = (BlockList)malloc(sizeof(Block));

    block1->data.pageNum = -1;
    block2->data.pageNum = -1;
    block3->data.pageNum = -1;
    block4->data.pageNum = -1;

    block1->data.blockNum = 0;
    block2->data.blockNum = 1;
    block3->data.blockNum = 2;
    block4->data.blockNum = 3;

    block1->data.t = 0;
    block2->data.t = 0;
    block3->data.t = 0;
    block4->data.t = 0;

    block1->next = block2;
    block2->next = block3;
    block3->next = block4;
    block4->next = block1;

    for(int i = 0; i < 320; ) //初始化地址流
    {
        int m = rand() % 320;
        instrAddr[i] = m + 1;
        pageAddr[i] = instrAddr[i] / 10;
        i++;

        int m1 = rand() % (m - 1);
        instrAddr[i] = m1;
        pageAddr[i] = m1 / 10;
        i++;

        instrAddr[i] = m1 + 1;
        pageAddr[i] = instrAddr[i] / 10;
        i++;

        int m2 = rand() % (319 - m1 - 1) + m1 + 2;
        instrAddr[i] = m2;
        pageAddr[i] = m2 / 10;
        i++;

        instrAddr[i] = m2 + 1;
        pageAddr[i] = instrAddr[i] / 10;
        i++;
    }
}

int LRU(int pageNum, int virAddr)
{
    Block *p = block1;

    for(int i = 0; i < 4; i++) //遍历所有内存块，若不进行任何操作则遍历结束时候仍指向block1
    {
        if(p->data.pageNum == -1) //块为空闲
        {
            p->data.pageNum = pageNum;
            count++; //缺页次数+1
            printf("指令地址：%d \n", virAddr);
            printf("指令未装入内存！页面置换完成！\n用户指令第%d页第%d条的物理地址为：第%d块第%d条 \n\n", pageNum, (virAddr % 10), p->data.blockNum, (virAddr % 10));

            //将所有块经历的时间+1，再将当前访问块的时间置0
            for(int i = 0; i < 4; i++)
            {
                p->data.t++;
                p = p->next;
            }

            p->data.t = 0;

            return 1;
        }

        if(p->data.pageNum == pageNum)
        {
            printf("指令地址：%d \n", virAddr);
            printf("指令已在内存中！\n用户指令第%d页第%d条的物理地址为：第%d块第%d条 \n\n", pageNum, (virAddr % 10), p->data.blockNum, (virAddr % 10));

            for(int i = 0; i < 4; i++)
            {
                p->data.t++;
                p = p->next;
            }

            p->data.t = 0;

            return 1;
        }

        p = p->next;
    }

    //页面置换
    int largestT = -1;

    for(int i = 0; i < 4; i++) //
    {
        if(p->data.t > largestT)
        {
            largestT = p->data.t;
        }

        p = p->next;
    }

    for(int i = 0; i < 4; i++)
    {
        if(p->data.t == largestT)
        {
            for(int j = 0; j < 4; j++)
            {
                p->data.t++;
                p = p->next;
            }

            p->data.pageNum = pageNum;
            count++;
            p->data.t = 0;

            printf("指令地址：%d \n", virAddr);
            printf("指令未装入内存且内存块已满！页面置换完成！\n用户指令第%d页第%d条的物理地址为：第%d块第%d条 \n\n", pageNum, (virAddr % 10), p->data.blockNum, (virAddr % 10));

            return 1;
        }

        p = p->next;
    }

    return 1;
}

void calculate() //计算缺页率
{
    for(int i = 0; i < 320; i++)
    {
        LRU(pageAddr[i], instrAddr[i]);
    }

    printf("\n");
    printf("缺页次数：%.0f\n", count);
    printf("计算得到的缺页率为：%.4f \n", count / 320);
}

int main()
{
    printf("----------最近最久未使用置换算法----------\n\n");

    initialize();
    calculate();

    return 0;
}