《操作系统》实验之虚拟存储管理

  1 /*
  2  * 该程序使用了位图LRU置换算法
  3  */
  4 
  5 #include <iostream>
  6 #include <string.h>
  7 #include <stdio.h>
  8 using namespace std;
  9 
 10 //宏定义
 11 #define PAGE_TABLE_SIZE 10    //页表大小
 12 #define BITMAP_SIZE    10    //位图大小。块大小为128B，则内存大小：10*128B = 1280B
 13 #define BLOCK_SIZE 128    //块大小为128B
 14 
 15 //结构体
 16 struct Page{    //页
 17     bool flag;                //标志，是否存入内存
 18     unsigned short blockNo;    //主存块号
 19     unsigned short addr;    //外村地址
 20     bool isMod;                //修改位
 21 };
 22 
 23 struct JobWork{    //作业指令
 24     char operation[5];    //操作名称
 25     unsigned short PageNo;    //页号
 26     unsigned short UnitNo;    //单元号
 27 };
 28 
 29 struct LRUNode{    //LRU链表节点
 30     unsigned short PageNo;    //页号
 31     LRUNode *next;        //指向下一个节点的指针
 32 };
 33 
 34 //局部变量
 35 Page PageTable[PAGE_TABLE_SIZE];    //定义页表
 36 bool BitMap[BITMAP_SIZE];    //定义内存位图
 37 JobWork work[20];    //作业执行的指令序列
 38 
 39 int PageTableNum;    //当前页表大小
 40 int workNum;        //当前作业指令集大小 
 41 
 42 LRUNode *LRUqueue;    //LRU（最近最久未使用算法）队列
 43 
 44 //局部函数
 45 void Init();    //初始化，页表，位图等
 46 unsigned short GetAddr(unsigned short curPage,unsigned short UnitNo);    //输入 页号和页内偏移，得到绝对地址
 47 void Insert(unsigned short page);    //将最近使用的页插入到LRU队列中 或 在LRU队列中调整位置，使其始终保持最近最久未使用的页表节点在前面
 48 int FindFreeBlock();        //在内存中查找空闲块
 49 void DropLRUHead();            //丢弃掉LRU队列的第一个结点
 50 void DisplayPageTable();    //打印页表
 51 void DisplayLRUQueue();        //打印LRU队列
 52 
 53 //主函数
 54 int main()
 55 {
 56     int i;
 57     Init();    //初始化
 58 
 59     printf("初始页表:\n");
 60     DisplayPageTable();
 61     printf("\n");
 62     printf("初始LRU队列:\n");
 63     DisplayLRUQueue();
 64     printf("\n");
 65 
 66     for(i=0;i<workNum;i++){    //模拟取指令 
 67         printf("-------------------- 第%d条指令：%s -----------------------\n",i+1,work[i].operation);
 68         printf("取指令\n");
 69 
 70         unsigned short curPage = work[i].PageNo;    //取该指令页号
 71         printf("取出页号：%d\n",curPage);
 72 
 73         //判断地址是否非法
 74         if(curPage<0 || curPage>PageTableNum){    //页号非法
 75             printf(" 访问地址非法\n");
 76             return 0;
 77         }
 78         if(work[i].UnitNo<0 || work[i].UnitNo>=BLOCK_SIZE){    //页内偏移地址非法
 79             printf(" 访问地址非法\n");
 80             return 0;
 81         }
 82 
 83         //判断该页是否在内存
 84         while( PageTable[curPage].flag!=1 ){
 85             printf(" 该页不在内存\n");
 86             printf(" 发出缺页中断\n");
 87             int freeBlock = -1;
 88             if( (freeBlock = FindFreeBlock())==-1 ){    //找内存中的空闲块。
 89                 printf(" 没有在内存中找到空闲块，调用LRU页面置换算法\n");
 90 
 91                 unsigned short dropPage = LRUqueue->next->PageNo;    //被淘汰的页号
 92                 printf("  获得被淘汰的页号(%d)\n",dropPage);
 93 
 94                 if( PageTable[dropPage].isMod==1 ){    //该页修改过
 95                     printf("   该页修改过，将该页调到磁盘");
 96                     PageTable[dropPage].isMod = 0;
 97                 }
 98 
 99                 printf("  丢弃该页\n");
100                 PageTable[dropPage].flag = 0;
101                 DropLRUHead();    //丢弃掉LRU队列的第一个结点
102                 unsigned short dropBlock = PageTable[dropPage].blockNo;
103                 PageTable[dropPage].blockNo = -1;
104 
105                 printf("  调进页(%d)到内存\n",curPage);
106                 Insert(curPage);
107                 PageTable[curPage].flag = 1;
108                 PageTable[curPage].blockNo = dropBlock;
109             }
110             else{    //找到空闲块
111                 //在页表中找到页号对应的页，修改标志位，赋给它内存块号
112 
113                 printf("  在内存中找到空闲块，赋给给相应的页\n");
114                 PageTable[curPage].blockNo = freeBlock;
115                 PageTable[curPage].flag = 1;
116                 BitMap[freeBlock] = 1;
117                 Insert(curPage);
118             }
119             
120         }
121         //该页在内存，形成并输出绝对地址
122         printf(" 该页在内存中\n");
123         unsigned short absAddr = GetAddr(curPage,work[i].UnitNo);    //输入 页号和页内偏移，得到绝对地址
124         Insert(curPage);    //调整内存页排序表(LRU队列)
125 
126         if( strcmp(work[i].operation,"存")==0 ){
127             //如果是存指令
128             printf("  是存指令,置该页的修改位为 1\n");
129             PageTable[curPage].isMod = 1;
130         }
131 
132         printf("绝对地址为:0x%04X\n",absAddr);
133         printf("\n");
134         printf("当前页表:\n");
135         DisplayPageTable();
136         printf("\n");
137         printf("当前LRU队列:\n");
138         DisplayLRUQueue();
139         printf("-----------------------------------------------------------\n");
140         printf("\n");
141 
142     }
143     return 0;
144 }
145 
146 //函数实现
147 void Insert(unsigned short page)    //将最近使用的页插入到LRU队列中 或 在LRU队列中调整位置，使其始终保持最近最久未使用的页表节点在前面
148 {
149     //查找链表，如果找到page，将代表该page的节点移到链表最后，说明刚刚使用过该页
150     LRUNode *p = LRUqueue;
151     while(p->next!=NULL){
152         if(p->next->PageNo==page){
153             //找到该节点，将其移动到LRU链表最后
154             LRUNode *t = p->next;
155             p->next = t->next;
156             while(p->next!=NULL){
157                 p = p->next;
158             }
159             p->next = t;
160             t->next = NULL;
161             return ;
162         }
163         p = p->next;
164     }    
165     //如果没有找到page，则创建一个代表该page的节点，加入到LRU链表最后
166     if(p->PageNo!=page){
167         LRUNode* t = new LRUNode;    //创建节点
168         t->PageNo = page;
169         t->next = NULL;
170         p->next = t;
171     }
172     //最后一个节点是page的情况不用考虑，因为它本身就在最后，不用移位
173     return ;
174 }
175 
176 void Init()    //初始化，页表，位图等
177 {
178     memset(PageTable,0,sizeof(PageTable));
179     memset(BitMap,0,sizeof(BitMap));
180     PageTableNum = 0;
181     workNum = 0;
182     LRUqueue = new LRUNode;
183     LRUqueue->next = NULL;
184 
185     //初始化页表
186     PageTable[0].flag = 1;
187     PageTable[0].blockNo = 5;
188     PageTable[0].addr = 0x0011;
189     PageTable[0].isMod = 1;
190     Insert(0);
191     PageTableNum++;
192 
193     PageTable[1].flag = 1;
194     PageTable[1].blockNo = 8;
195     PageTable[1].addr = 0x0012;
196     PageTable[1].isMod = 1;
197     Insert(1);
198     PageTableNum++;
199 
200     PageTable[2].flag = 1;
201     PageTable[2].blockNo = 9;
202     PageTable[2].addr = 0x0013;
203     PageTable[2].isMod = 0;
204     Insert(2);
205     PageTableNum++;
206 
207     PageTable[3].flag = 1;
208     PageTable[3].blockNo = 1;
209     PageTable[3].addr = 0x0021;
210     PageTable[3].isMod = 0;
211     Insert(3);
212     PageTableNum++;
213 
214     PageTable[4].flag = 0;
215     PageTable[4].blockNo = -1;
216     PageTable[4].addr = 0x0022;
217     PageTable[4].isMod = 0;
218     PageTableNum++;
219 
220     PageTable[5].flag = 0;
221     PageTable[5].blockNo = -1;
222     PageTable[5].addr = 0x0023;
223     PageTable[5].isMod = 0;
224     PageTableNum++;
225 
226     PageTable[6].flag = 0;
227     PageTable[6].blockNo = -1;
228     PageTable[6].addr = 0x0121;
229     PageTable[6].isMod = 0;
230     PageTableNum++;
231 
232     //初始化作业
233     strcpy(work[0].operation,"+");
234     work[0].PageNo = 0;
235     work[0].UnitNo = 070;
236     workNum++;
237 
238     strcpy(work[1].operation,"+");
239     work[1].PageNo = 1;
240     work[1].UnitNo = 050;
241     workNum++;
242 
243     strcpy(work[2].operation,"*");
244     work[2].PageNo = 2;
245     work[2].UnitNo = 015;
246     workNum++;
247 
248     strcpy(work[3].operation,"存");
249     work[3].PageNo = 3;
250     work[3].UnitNo = 021;
251     workNum++;
252 
253     strcpy(work[4].operation,"取");
254     work[4].PageNo = 0;
255     work[4].UnitNo = 057;
256     workNum++;
257 
258     strcpy(work[5].operation,"-");
259     work[5].PageNo = 6;
260     work[5].UnitNo = 040;
261     workNum++;
262 
263     strcpy(work[6].operation,"移位");
264     work[6].PageNo = 4;
265     work[6].UnitNo = 053;
266     workNum++;
267 
268     strcpy(work[7].operation,"+");
269     work[7].PageNo = 5;
270     work[7].UnitNo = 023;
271     workNum++;
272     
273     strcpy(work[8].operation,"存");
274     work[8].PageNo = 1;
275     work[8].UnitNo = 037;
276     workNum++;
277     
278     strcpy(work[9].operation,"取");
279     work[9].PageNo = 2;
280     work[9].UnitNo = 076;
281     workNum++;
282     
283     strcpy(work[10].operation,"+");
284     work[10].PageNo = 4;
285     work[10].UnitNo = 001;
286     workNum++;
287 
288     strcpy(work[11].operation,"取");
289     work[11].PageNo = 6;
290     work[11].UnitNo = 074;
291     workNum++;
292 
293     //将剩余的内存置为非空，即预先设定内存没有空闲位
294     int i;
295     for(i=0;i<BITMAP_SIZE;i++){
296         if(!BitMap[i])
297             BitMap[i] = 1;
298     }
299 
300     return ;
301 }
302 
303 unsigned short GetAddr(unsigned short curPage,unsigned short UnitNo)    //输入 页号和页内偏移，得到绝对地址
304 {
305     unsigned short absAddr = 0;    //结果
306 
307     unsigned short curBlock = PageTable[curPage].blockNo;    //取块号
308     absAddr = curBlock*BLOCK_SIZE + UnitNo;
309 
310     return absAddr;
311 }
312 
313 int FindFreeBlock()        //在内存中查找空闲块
314 {
315     int i;
316     for(i=0;i<BITMAP_SIZE;i++){
317         if(BitMap[i]==0){    //找到空闲块，返回块号
318             return i;
319         }
320     }
321     return -1;    //没找到
322 }
323 
324 void DropLRUHead()                    //丢弃掉LRU队列的第一个结点
325 {
326     LRUNode *t = LRUqueue->next;
327     LRUqueue->next = t->next;
328     free(t);
329 }
330 
331 void DisplayPageTable()    //打印页表
332 {
333     int i;
334     printf("页号\t标志\t内存块号\t外存地址\t修改值\n");
335     for(i=0;i<PageTableNum;i++){
336         printf("%d\t",i);
337         printf("%d\t",PageTable[i].flag);
338         if(PageTable[i].blockNo==65535){
339             printf("-\t\t");
340         }
341         else{
342             printf("%d\t\t",PageTable[i].blockNo);
343         }
344         printf("0x%03x\t\t",PageTable[i].addr);
345         printf("%d\n",PageTable[i].isMod);
346     }
347     return ;
348 }
349 
350 
351 void DisplayLRUQueue()        //打印LRU队列
352 {
353     LRUNode *q = LRUqueue->next;
354     while(q!=NULL){
355         if(q->next==NULL)
356             printf("%d\n",q->PageNo);
357         else
358             printf("%d->",q->PageNo);
359         q = q->next;
360     }
361 }