基于qt5界面库的内存管理模拟系统
- 一个作业有320条指令
- 一个页面可以容纳10条指令
- 内存分为4块，一个内存块可以容纳一个页面
- 作业运行前，内存块均为分配
- 50%的指令是顺序执行的，25%是均匀分布在前地址部分，25%是均匀分布在后地址部分
- 发生缺页错误，要将页面调入内存
- 开发环境：Windows10 1809
- 开发语言：C++
- 开发工具：QT Creator 4.9.0
- 开发框架：QT 5.12.2
这是该模拟系统的GUI界面，以下是对应功能的介绍
- “NEW”按钮
新建新的作业,即产生新的指令序列；并且清空内存块以及统计数据 - “Clear”按钮
清空内存块内容，但仍保留之前生成的指令序列，并清空统计数据 - “SINGLE STEP”按钮
单步执行指令，指令执行情况可在内存区和统计数据区中查看 - “SEQUENTIAL EXECUTION”按钮
顺序执行指令到执行完320条指令 - “Algorithm”选择按钮
选择页面替换算法，可以选择FIFO算法，LRU算法，RAND算法 - 指令列表区
右侧的“Instruction List”区域显示了该作业的320条指令序列 - 统计数据区
中间区域显示了缺页次数，缺页率，当前指令所在内存页号，当前指令所在页的页偏移，当前指令序号等信息 - 内存区
左侧“Memory”区域显示了当前内存情况
struct Instruction{
int current_address; //指令地址及指令序号
QString content; //指令内容
int next_address; //下一条指令地址及指令序号
Instruction(int current = -1, int next = -1, QString str = "DO SOMETHING"):current_address(current), content(str), next_address(next){}
};指令结构采用结构体进行组织，其中：
- current_address：int类型，当前指令地址及指令序号标识
- content：string类型，指令内容
- next_address：int类型，下一条指令地址以及指令序号标识
- Instruction()：指令构造函数
class CPage{
private:
int last_used_point; //页面最近访问的时间，用运行周期来记录
int in_point; //页面调入内存的时间，用运行周期来记录
Instruction* ins_vec; //指令数组
unsigned int page_size; //页面大小，默认值为10
int page_id; //页面标识号
//省略函数- last_used_point：记录页面最近访问的时间，用于实现LRU算法，其中用当前已执行指令的数量来代表使用时间，last_used_point越大，最后一次访问越近。
- in_point：记录页面调入内存的时间，用于实现FIFO算法，其中用当前已执行指令的数量来代表使用时间，in_point越小，调入内存时间越早。
- ins_vec：存储了若干条指令（10条）的数组，其中的指令都属于该页面。
- page_size：页面大小，即可存储指令的数量。
- page_id：页面标识号，方便页面的识别和搜索。
CPage* memory_page_vec; //内存页面数组，即页目录页目录是一个页面指针数组，数组下标即为内存块偏移量
void progress::init_ins()
{
srand((unsigned)time(NULL));
int current = 0;
int next = 1;
for(int i = 0; i < progress_size;i++){
if(i%4 == 1){ //随机生成后地址指令
next = jump_back(current + 2);
}else if(i%4 == 3){ //随机生成前地址指令
next = jump_front(current - 1);
}else{
next = current + 1; //生成顺序指令
}
Instruction ins_temp(current, next);
all_ins_vec[current] = ins_temp;
current +=1;
}
//省略指令分配页面
}
/*随机生成前地址算法*/
int progress::jump_front(int m)
{
srand((unsigned)time(NULL));
return rand()%m;
}
/*随机生成后地址转算法*/
int progress::jump_back(int m)
{
srand((unsigned)time(NULL));
return rand()%(progress_size - m) + m;
}为了简化问题，将指令序号用作指令地址。根据指令条数模4的值来确定下一条指令的地址，其中：
- 余数为0和2时，下一条指令地址为顺序下一条的地址
- 余数为1时，下一条指令地址为该指令地址后的任一地址
- 余数为3时，下一条指令地址为该指令地址前的任一地址
从而实现50%是顺序执行，25%是均匀分布前地址部分，25%是均匀分布后地址部分
int progress::FIFO_SWAP()
{
int in_point_min = progress_size;
int offset = -1;
for(int i = 0; i < 4; i++){ //选出最早调入的内存块页面
int in_point = memory_page_vec[i].getInPoint();
if(in_point < in_point_min){
in_point_min = in_point;
offset = i;
}
}
return offset; //返回内存块偏移
}根据页面对象的in_point成员变量选出最早调入内存块的页面并将其替换出，该函数返回需要替换的内存块号
int progress::LRU_SWAP()
{
int last_used_min = progress_size;
int offset = -1;
for(int i = 0; i < 4; i++){ //选出最近使用的内存块页面
int last_used = memory_page_vec[i].getLastUsedPoint();
if(last_used < last_used_min){
last_used_min = last_used;
offset = i;
}
}
return offset; //返回内存块偏移
}根据页面对象的last_used_point成员变量选出最近最远被访问内存块的页面并将其替换出，该函数返回需要替换的内存块号
int progress::RAND_SWAP()
{
return rand()%4; //返回随机内存块偏移
}该函数随机返回一个内存块号
- 根据作业对象current_ins成员,计算该指令所在页面，并在内存中搜索该页面号
(1)若搜索成功，即指令页面已经调入内存，不发生替换 (2)若搜索失败，即指令页面不在内存中，需要发生页面调入/替换，其中内存未满时直接顺序调入，内存已满时发生页面替换 - 将current_ins更新为下一条指令的标识，并更新各项统计数据
- 重复以上步骤，直到所有（320条）指令执行完成
- 由于指令生成算法的缺陷，即当指令序号较少时，前地址生成容易陷入循环。
- 由于指令生成算法的随机性，无法使得所有（320）条指令链接在一起，有部分指令无法执行
- FIFO算法和LRU算法的区别无法体现，即对于同一指令序列两种算法的缺页数和缺页率相同，但是两种算法的指令执行过程和页面替换是有明显区别的
- 分析可知，上述问题的原因其实是内存块数过少以及指令的不满足局部性原理。因为内存块过少，而且指令生成算法中的跳转生成，页面替换频繁发生，虽然替换的页面不同，但是替换数是相同的。