虚拟存储管理模拟实验：页面置换算法分析与命中率比较

"存储管理 常用页面置换算法模拟" 在计算机系统中，存储管理是操作系统的重要组成部分，尤其在虚拟存储技术的应用下，页面置换算法成为解决内存资源有限与程序需求无限之间的矛盾的关键手段。本实验旨在通过模拟常见的页面置换算法来帮助学生深入理解虚拟存储请求页式存储管理的工作原理。 实验目标是让学生熟悉和比较五种基本的页面置换算法，包括最佳淘汰算法（OPT）、先进先出算法（FIFO）、最近最久未使用算法（LRU）、最不经常使用算法（LFU）和最近未使用算法（NUR）。这些算法的目标是在有限的内存中尽可能高效地运行程序，通过预测和替换页面来优化命中率，即有效访问内存的次数占总访问次数的比例。 实验内容涉及到设计一个虚拟存储系统和内存工作区。首先，利用随机数生成一个包含320条指令的序列，模拟实际的程序执行流程。指令地址遵循特定分布，以反映真实世界中的执行模式，如顺序执行、均匀分布等。然后，将指令序列转换为页地址流，考虑页面大小和用户内存及虚存的容量，以形成32页的指令布局。 在计算命中率时，每种算法都有其独特的处理方式： 1. 最佳淘汰算法（OPT）理论上的理想算法，总是选择未来最长时间内不会被使用的页面进行替换，但实际实现困难。 2. 先进先出算法（FIFO）简单直观，按页面进入内存的顺序决定淘汰哪个页面，但可能导致Belady's Anomaly，即增加页面数量反而降低命中率。 3. 最近最久未使用算法（LRU）基于历史访问频率，淘汰最长时间未被访问的页面，通常表现良好。 4. 最不经常使用算法（LFU）根据页面的访问频率，淘汰访问最少的页面，适用于某些访问模式，但可能对短期热门页面处理不佳。 5. 最近未使用算法（NUR）最近未被访问过的页面优先被淘汰，介于LRU和FIFO之间。 实验准备阶段，使用srand()和rand()生成指令序列，然后针对每种算法运行模拟，计算每个算法的命中率，从而比较它们的效率。 在虚拟存储系统中，如UNIX系统，采用请求调页策略，当页面不在内存时，系统会自动将所需页面调入内存，同时支持内外存进程对换，以提高内存利用率。这样的存储管理方式使得进程无需一次性全部装入内存即可运行，极大地扩展了系统的可用内存空间。 通过这个实验，学生不仅能掌握各种页面置换算法的基本思想和实现过程，还能对虚拟存储技术的特点有深入的理解，为后续的系统设计和优化打下坚实的基础。