C++设计一个页面替换的虚拟存储管理方案，编程模拟实现页面淘汰和替换过程，并输出页 面分配状态和缺页中断率。

这里给出一个基于FIFO算法的C++页面替换的虚拟存储管理方案的实现，供参考。

#include<iostream>
#include<queue>
using namespace std;

const int PAGE_NUM = 4; // 物理内存中页面数
const int PAGE_SIZE = 1024; // 页面大小
const int MEMORY_SIZE = PAGE_NUM * PAGE_SIZE; // 物理内存大小
const int MAX_PAGE_NUM = 10; // 虚拟内存中最多的页面数
const int REFERENCE_STRING_LENGTH = 20; // 引用字符串长度

// 页面块结构体
struct PageBlock {
    int page_id; // 页面号
    bool is_allocated; // 是否已分配
    PageBlock(int id, bool allocated=false) : page_id(id), is_allocated(allocated) {}
};

// 虚拟内存类
class VirtualMemory {
private:
    int page_num; // 页面数
    int reference_string[REFERENCE_STRING_LENGTH]; // 引用字符串
    PageBlock page_table[MAX_PAGE_NUM]; // 页面表
    int page_fault_count; // 缺页中断次数

public:
    VirtualMemory() {}
    VirtualMemory(int num) : page_num(num), page_fault_count(0) {
        for(int i=0; i<num; i++) {
            page_table[i] = PageBlock(i);
        }
        generate_reference_string();
    }

    // 随机生成引用字符串
    void generate_reference_string() {
        for(int i=0; i<REFERENCE_STRING_LENGTH; i++) {
            reference_string[i] = rand() % page_num;
        }
    }

    // 获取引用字符串
    int* get_reference_string() {
        return reference_string;
    }

    // 获取页面表
    PageBlock* get_page_table() {
        return page_table;
    }

    // 获取缺页中断次数
    int get_page_fault_count() {
        return page_fault_count;
    }

    // 分配页面
    bool allocate_page(int page_id) {
        for(int i=0; i<page_num; i++) {
            if(page_table[i].page_id == page_id && !page_table[i].is_allocated) {
                page_table[i].is_allocated = true;
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    // 淘汰页面
    void evict_page(queue<int>& page_queue) {
        int evicted_page_id = page_queue.front();
        page_queue.pop();
        for(int i=0; i<page_num; i++) {
            if(page_table[i].page_id == evicted_page_id && page_table[i].is_allocated) {
                page_table[i].is_allocated = false;
                break;
            }
        }
    }

    // 执行页面替换
    void perform_page_replacement() {
        queue<int> page_queue; // 页面队列
        int reference_string_index = 0; // 引用字符串索引
        while(reference_string_index < REFERENCE_STRING_LENGTH) {
            int page_id = reference_string[reference_string_index];
            if(!allocate_page(page_id)) {
                page_fault_count++; // 缺页中断
                if(page_queue.size() >= PAGE_NUM) {
                    evict_page(page_queue); // 淘汰页面
                }
                page_queue.push(page_id); // 加入队列
            }
            reference_string_index++;
        }
    }

    // 输出页面分配状态
    void print_page_allocation_status() {
        cout << "Page allocation status:" << endl;
        for(int i=0; i<page_num; i++) {
            if(page_table[i].is_allocated) {
                cout << "Page " << page_table[i].page_id << " is allocated." << endl;
            }
            else {
                cout << "Page " << page_table[i].page_id << " is not allocated." << endl;
            }
        }
    }

    // 输出缺页中断率
    void print_page_fault_rate() {
        double fault_rate = (double)page_fault_count / REFERENCE_STRING_LENGTH;
        cout << "Page fault rate: " << fault_rate << endl;
    }
};

int main() {
    VirtualMemory vm(5);
    int* reference_string = vm.get_reference_string();
    cout << "Reference string: ";
    for(int i=0; i<REFERENCE_STRING_LENGTH; i++) {
        cout << reference_string[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    vm.perform_page_replacement();
    vm.print_page_allocation_status();
    vm.print_page_fault_rate();
    return 0;
}

上述代码中，我们定义了一个虚拟内存类`VirtualMemory`，其中包括页面表、引用字符串、分配页面、淘汰页面、执行页面替换、输出页面分配状态和缺页中断率等方法。在`main`函数中，我们创建了一个虚拟内存对象，并执行了页面替换过程，最后输出了页面分配状态和缺页中断率。

需要注意的是，我们这里使用了简单的FIFO算法来进行页面替换，即淘汰最先进入队列的页面。实际上，还有其他一些更高级的页面替换算法，如LRU、LFU等，读者可以自行了解并尝试实现。