用c语言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。

以下是一个简单的页面替换的虚拟存储管理方案的C语言实现，其中使用了FIFO算法进行页面淘汰和替换：

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

#define PAGE_NUM 4  // 物理页面数
#define PAGE_SIZE 16  // 页面大小
#define MEMORY_SIZE PAGE_NUM * PAGE_SIZE  // 物理内存大小
#define PAGE_TABLE_SIZE 64  // 页表大小
#define PAGE_TABLE_ENTRY_SIZE 4  // 页表项大小

int memory[MEMORY_SIZE];  // 物理内存
int page_table[PAGE_TABLE_SIZE][PAGE_TABLE_ENTRY_SIZE];  // 页表
int page_table_counter = 0;  // 下一次要替换的页表项编号

// 初始化页表
void init_page_table() {
    int i;
    for (i = 0; i < PAGE_TABLE_SIZE; i++) {
        page_table[i][0] = -1;  // 页框号，-1表示无效
        page_table[i][1] = 0;  // 访问位，0表示未访问
        page_table[i][2] = 0;  // 修改位，0表示未修改
        page_table[i][3] = -1;  // 换出时间，-1表示未分配
    }
}

// 分配物理页面
int allocate_page() {
    int i;
    for (i = 0; i < PAGE_NUM; i++) {
        if (page_table[i][0] == -1) {  // 找到空闲页框
            page_table[i][0] = i;  // 设置页框号
            return i;
        }
    }
    return -1;  // 没有空闲页框
}

// 选择要替换的页表项（FIFO算法）
int select_page_table_entry_to_replace() {
    int i;
    for (i = 0; i < PAGE_TABLE_SIZE; i++) {
        if (page_table[i][0] != -1 && page_table[i][3] == page_table_counter) {  // 找到需要替换的页表项
            page_table_counter = (page_table_counter + 1) % PAGE_NUM;  // 更新下一次要替换的页表项编号
            return i;
        }
    }
    return -1;  // 没有需要替换的页表项
}

// 页面淘汰和替换
void page_replace(int page_table_entry_index, int page_index) {
    int old_page_frame = page_table[page_table_entry_index][0];  // 被替换的页框号
    page_table[page_table_entry_index][0] = page_index;  // 设置新的页框号
    page_table[page_table_entry_index][1] = 0;  // 重置访问位
    page_table[page_table_entry_index][2] = 0;  // 重置修改位
    page_table[page_table_entry_index][3] = (page_table_counter + PAGE_NUM - 1) % PAGE_NUM;  // 设置换出时间
    page_table_counter = (page_table_counter + 1) % PAGE_NUM;  // 更新下一次要替换的页表项编号
    int i;
    for (i = 0; i < PAGE_SIZE; i++) {
        memory[old_page_frame * PAGE_SIZE + i] = memory[page_index * PAGE_SIZE + i];  // 将被替换的页面内容复制到新的页面
    }
}

// 访问页面
void access_page(int page_index, int modify) {
    int i;
    for (i = 0; i < PAGE_TABLE_SIZE; i++) {
        if (page_table[i][0] == page_index) {  // 页面已经在物理内存中
            page_table[i][1] = 1;  // 设置访问位
            if (modify) {
                page_table[i][2] = 1;  // 设置修改位
            }
            return;
        }
    }
    // 页面不在物理内存中，需要分配物理页面
    int page_table_entry_index = allocate_page();
    if (page_table_entry_index == -1) {  // 没有空闲页框，需要替换页面
        page_table_entry_index = select_page_table_entry_to_replace();
        page_replace(page_table_entry_index, page_index);
    } else {
        page_table[page_table_entry_index][0] = page_index;  // 设置页框号
        page_table[page_table_entry_index][1] = 1;  // 设置访问位
        if (modify) {
            page_table[page_table_entry_index][2] = 1;  // 设置修改位
        }
    }
}

// 输出页面分配状态和缺页中断率
void output_status() {
    printf("物理内存：\n");
    int i, j;
    for (i = 0; i < PAGE_NUM; i++) {
        printf("页框%d：", i);
        for (j = 0; j < PAGE_SIZE; j++) {
            printf("%d ", memory[i * PAGE_SIZE + j]);
        }
        printf("\n");
    }
    printf("页表：\n");
    printf("页表项 页框号 访问位 修改位 换出时间\n");
    for (i = 0; i < PAGE_TABLE_SIZE; i++) {
        if (page_table[i][0] != -1) {
            printf("%d %d %d %d %d\n", i, page_table[i][0], page_table[i][1], page_table[i][2], page_table[i][3]);
        }
    }
    int page_faults = 0;
    int total_accesses = 0;
    for (i = 0; i < PAGE_TABLE_SIZE; i++) {
        if (page_table[i][0] != -1) {
            total_accesses++;
            if (page_table[i][1] == 0) {
                page_faults++;
            }
        }
    }
    printf("缺页中断率：%f\n", (double)page_faults / total_accesses);
}

int main() {
    init_page_table();
    access_page(0, 0);
    access_page(1, 1);
    access_page(2, 0);
    access_page(3, 1);
    access_page(4, 0);
    access_page(5, 1);
    access_page(6, 0);
    access_page(7, 1);
    access_page(1, 0);
    access_page(2, 1);
    output_status();
    return 0;
}

在上面的示例中，我们模拟了一些页面的访问和修改操作，并使用FIFO算法进行页面淘汰和替换。最后，我们输出了物理内存和页表的状态，以及缺页中断率。