Clock 页面置换算法实验指导书

实验目的

掌握 Clock 页面置换算法的原理和实现方法。
理解页面置换在虚拟内存管理中的作用。
通过实验验证 Clock 算法的性能表现，分析其优缺点。

实验要求

编写程序模拟 Clock 页面置换算法。
提供一个页面访问序列作为输入，计算页面置换次数和页面命中率。
输出内存中页面状态的动态变化过程。

实验原理

Clock 算法的核心思想是利用一个环形队列来模拟页面替换过程。每个页面有一个访问位，用来表示该页面是否在最近被访问过。算法的步骤包括：

如果页面访问成功（命中），设置该页面的访问位为1。
如果页面访问失败（缺页），根据当前指针所指页面的访问位决定是否替换：
- 若访问位为0，则替换该页面；
- 若访问位为1，则将访问位重置为0，并移动指针到下一个页面，继续检查。

实验环境

开发工具： Code::Blocks、Visual Studio、或任意支持 C/C++ 的 IDE。
开发语言： C 或 C++。
操作系统： 任意支持实验环境的操作系统（如 Linux 或 Windows）。

实验步骤

1. 预备知识

熟悉页面置换算法的基本概念。
了解数组、循环队列等数据结构的操作。
掌握基本的文件输入输出方法（若需要从文件读取页面访问序列）。

2. 编程实现

实验程序由以下模块组成：

(1) 初始化模块

输入物理内存的页面数（frame_count）。
初始化页面表和访问位数组，指针 clock_pointer 指向环形队列的开始位置。

(2) 页面访问模块

按页面访问序列依次模拟内存操作：
1. 检查页面是否命中：
  - 若命中，更新访问位为1。
2. 若缺页，启动页面置换：
  - 循环检查访问位；
  - 访问位为0时替换页面并更新访问位；
  - 若访问位为1，重置为0并将指针移向下一个页面。

(3) 输出模块

实时输出内存页面状态，包括每次访问后内存中的页面和访问位。
计算并输出以下结果：
- 页面置换次数；
- 页面命中率（hit_rate = hit_count / total_accesses）。

实验输入与输出

输入：

页面访问个数（例如10）
页面访问序列（例如：7 0 1 2 0 3 0 4 2 3）。
内存框架数（Frame Count，例如：3）。

输出：

页面访问的动态过程，包括页面状态和访问位。
页面置换次数。
页面命中率。

程序框架示例

以下为 C 语言的程序框架：

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>#define MAX_FRAMES 10
#define MAX_PAGES 100void clock_page_replacement(int pages[], int n, int frame_count) {int frames[MAX_FRAMES];      // 存储页面的内存框bool access_bit[MAX_FRAMES]; // 访问位int clock_pointer = 0;       // 指针int page_faults = 0, hits = 0;// 初始化内存框和访问位for (int i = 0; i < frame_count; i++) {frames[i] = -1; // -1 表示空access_bit[i] = false;}for (int i = 0; i < n; i++) {int current_page = pages[i];bool hit = false;// 检查是否命中for (int j = 0; j < frame_count; j++) {if (frames[j] == current_page) {hit = true;access_bit[j] = true; // 更新访问位break;}}if (hit) {hits++;printf("Page %d hit\n", current_page);} else {// 缺页处理bool replaced = false;// 检查是否有空闲页面for (int j = 0; j < frame_count; j++) {if (frames[j] == -1) { // 找到空闲页面frames[j] = current_page;access_bit[j] = true;replaced = true;printf("Page %d loaded into free frame\n", current_page);break;}}if (!replaced) {// 无空闲页面，启动置换while (true) {if (!access_bit[clock_pointer]) {// 替换当前页面printf("Page %d replaced with page %d\n", frames[clock_pointer], current_page);frames[clock_pointer] = current_page;access_bit[clock_pointer] = true;clock_pointer = (clock_pointer + 1) % frame_count;break;} else {access_bit[clock_pointer] = false;clock_pointer = (clock_pointer + 1) % frame_count;}}}page_faults++;}// 输出当前内存框状态printf("Frames: ");for (int j = 0; j < frame_count; j++) {if (frames[j] != -1) {printf("%d ", frames[j]);} else {printf("- ");}}printf("\n");}printf("\nTotal Page Faults: %d\n", page_faults);printf("Hit Rate: %.2f%%\n", (hits * 100.0) / n);
}int main() {int pages[MAX_PAGES], n, frame_count;// 输入页面访问序列printf("Enter the number of pages: ");scanf("%d", &n);printf("Enter the page reference sequence: ");for (int i = 0; i < n; i++) {scanf("%d", &pages[i]);}// 输入内存框数printf("Enter the number of frames: ");scanf("%d", &frame_count);clock_page_replacement(pages, n, frame_count);return 0;
}