最近最久未使用（LRU）頁面置換演算法 C語言實現

廣東工業大學 作業系統實驗

實驗內容

假設每個頁面中可存放10條指令，分配給作業的記憶體塊數為4。用C語言模擬一個作業的執行過程，該作業共有320條指令，即它的地址空間為32頁，目前它的所有頁都還未調入記憶體。在模擬過程中，如果所訪問的指令已在記憶體，則顯示其實體地址，並轉下一條指令。如果所訪問的指令還未裝入記憶體，則發生缺頁，此時需記錄缺頁的次數，並將相應頁調入記憶體。如果4個記憶體塊均已裝入該作業，則需進行頁面置換，最後顯示其實體地址，並轉下一條指令。在所有320指令執行完畢後，請計算並顯示作業執行過程中發生的缺頁率。

置換演算法：採用最近最久未使用（LRU）頁面置換演算法。

通過隨機數產生一個指令序列，共320條指令：
1）指令的地址按下述原則生成：
① 50%的指令是順序執行的；
② 25%的指令是均勻分佈在前地址部分；
③ 25%的指令是均勻分佈在後地址部分；
具體的實施方法是：
① 在[0，319]的指令地址之間隨機選取一起點m；
② 順序執行一條指令，即執行序號為m+1的指令；
③ 在前地址[0，m-1]中隨機選取一條指令並執行，該指令的序號為m1；
④ 順序執行一條指令，其序號為m1+1的指令；
⑤ 在後地址[m1+2，319]中隨機選取一條指令並執行,該指令的序號為m2；
⑥ 順序執行一條指令，其序號為m2+1的指令；
重複上述步驟①～⑥，直到執行320次指令。
2）將指令序列變換為頁地址流
設頁面大小為1K， 使用者虛存容量為32K。在使用者虛存中，按每K存放10條指令排列虛存地址，即320條指令在虛存中的存放方式為：
第0條～第9條指令為第0頁（對應虛存地址為[0，9]）；
第10條～第19條指令為第1頁（對應虛存地址為[10，19]）；
……
……
第310條～第319條指令為第31頁（對應虛存地址為[310，319]）。
按以上方式，使用者指令可組成32頁。

程式碼實現

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

float count = 0; //缺頁次數
int instrAddr[320]; //指令地址流陣列
int pageAddr[320]; //頁地址流陣列

typedef struct Data //資料域
{
    int pageNum; //裝進的使用者虛存頁號
    int blockNum; //塊號
    int t; //自上次被訪問以來所經歷的時間
} Data;

typedef struct BlockNode //單向迴圈連結串列
{
    Data data;
    struct BlockNode *next;
} Block, *BlockList;

//定義記憶體塊
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++) //遍歷所有記憶體塊，若不進行任何操作則遍歷結束時候仍指向block1
    {
        if(p->data.pageNum == -1) //塊為空閒
        {
            p->data.pageNum = pageNum;
            count++; //缺頁次數+1
            printf("指令地址：%d \n", virAddr);
            printf("指令未裝入記憶體！頁面置換完成！\n使用者指令第%d頁第%d條的實體地址為：第%d塊第%d條 \n\n", pageNum, (virAddr % 10), p->data.blockNum, (virAddr % 10));

            //將所有塊經歷的時間+1，再將當前訪問塊的時間置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("指令已在記憶體中！\n使用者指令第%d頁第%d條的實體地址為：第%d塊第%d條 \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;
    }

    //頁面置換
    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("指令未裝入記憶體且記憶體塊已滿！頁面置換完成！\n使用者指令第%d頁第%d條的實體地址為：第%d塊第%d條 \n\n", pageNum, (virAddr % 10), p->data.blockNum, (virAddr % 10));

            return 1;
        }

        p = p->next;
    }

    return 1;
}

void calculate() //計算缺頁率
{
    for(int i = 0; i < 320; i++)
    {
        LRU(pageAddr[i], instrAddr[i]);
    }

    printf("\n");
    printf("缺頁次數：%.0f\n", count);
    printf("計算得到的缺頁率為：%.4f \n", count / 320);
}

int main()
{
    printf("----------最近最久未使用置換演算法----------\n\n");

    initialize();
    calculate();

    return 0;
}