### 实验报告三：虚拟内存页面置换算法
#### 一、实验目的
本次实验旨在深入理解虚拟内存管理机制中的页面置换算法。通过实践操作，掌握并熟悉先进先出(FIFO)、最佳置换(OPT/OPI)以及最近最少使用(LRU)这三种常见的页面置换算法的实现原理与工作流程。实验完成后，学生应能够独立完成以下任务：
1. **理解概念**：理解虚拟内存的基本概念及其在现代操作系统中的应用。
2. **算法实现**：能够编写代码实现FIFO、OPT/OPI以及LRU三种页面置换算法。
3. **性能分析**：分析不同算法在特定情况下的表现差异，包括缺页中断次数和缺页率。
#### 二、实验环境
本实验要求的硬件和软件环境如下：
- **硬件设备**：配备足够的计算能力来运行操作系统和编译器的PC机。
- **软件环境**：
- **操作系统**：Windows或Linux均可。
- **开发工具**：支持C/C++或Java等编程语言的IDE（如Visual Studio Code, Eclipse等）。
#### 三、实验设计思路
实验设计围绕着模拟页面访问过程展开，主要步骤如下：
1. **问题定义**：定义一个包含一系列页面访问请求的序列，模拟进程在运行过程中对这些页面的访问需求。
2. **算法选择**：实现三种页面置换算法——FIFO、OPT/OPI以及LRU。
3. **性能评估**：记录每种算法在处理相同页面访问序列时的缺页次数和缺页率，以此作为评价标准。
#### 四、实验内容及结果
##### 1. 算法模拟
- **先进先出(FIFO)**：按照先进先出的原则，当新的页面需要加载到内存而内存已满时，将最早进入内存的页面淘汰出去。
- **最佳置换(OPT/OPI)**：这是一种理想化的算法，它基于未来的页面访问预测，总是淘汰那些未来最长时间内不会被访问的页面。
- **最近最少使用(LRU)**：该算法选择最近最长时间没有被访问过的页面进行替换。
##### 2. 内存分配情况
实验中需要记录每个页面访问时刻的内存状态变化，以便于分析不同算法的表现。例如，可以使用二维数组来模拟内存的状态变化，其中每一行代表一个物理块，而每列则表示时间序列上的状态变化。
##### 3. 输入与输出
- **输入**：用户需要指定最小物理块数\(m\)、页面个数\(n\)、页面访问序列\(P1, P2, ..., Pn\)以及选择的算法类型（1-FIFO, 2-OPT/OPI, 3-LRU）。
- **输出**：对于每种算法，输出缺页次数和缺页率。缺页率是缺页次数除以总页面访问次数的结果。
#### 五、示例代码片段
```cpp
#include <iostream>
using namespace std;
const int DataMax = 100;
const int BlockNum = 10;
int DataShow[BlockNum][DataMax];
bool DataShowEnable[BlockNum][DataMax];
int Data[DataMax];
int Block[BlockNum];
int count[BlockNum];
int N;
int M;
int ChangeTimes;
void DataInput();
void FIFO();
void Optimal();
void LRU();
int main() {
DataInput();
int menu;
while (true) {
cout << "* 菜单选择 *" << endl;
cout << "*******************************************************" << endl;
cout << "* 1-FIFO *" << endl;
cout << "* 2-Optimal *" << endl;
cout << "* 3-LRU *" << endl;
cout << "* 0-EXIT *" << endl;
cout << "*******************************************************" << endl;
cin >> menu;
switch (menu) {
case 1: FIFO(); break;
case 2: Optimal(); break;
case 3: LRU(); break;
default: break;
}
if (menu != 1 && menu != 2 && menu != 3) break;
}
}
void DataInput() {
cout << "请输入最小物理块数：";
cin >> M;
// 进一步读取页面序列等其他输入
}
```
#### 六、总结
通过本实验的学习和实践，我们不仅深入了解了虚拟内存管理中页面置换算法的工作原理，还掌握了如何通过编程实现这些算法的具体步骤。此外，通过对不同算法在实际应用场景中的性能对比，我们可以更直观地理解各种算法的优势和局限性，为进一步研究内存管理技术打下坚实的基础。
