操作系统实验报告四

操作系统实验4

题目1：编写页面内存的LRU替换算法

在实验3基础上考虑，如果当前分配的内存或保存页面的数据项已经被用完，这时再有新的网页请求，需要对已在内存中的网页数据进行替换，本实验内容需要使用LRU算法来对内存中的网页数据进行替换

题目2：编写页面内存的LFU替换算法

实现LFU（最少访问频率的页面替换）算法来管理内存页面

实验报告要求：

1. 实验报告封面如下页所示。
2. 按照题目要求，完成相关实验题目。

2.1报告中要包含完成此题目所查阅的一些关键技术材料。例如内存结构的设计、分配管理、回收方法等内容。

2.2 报告中有实现的关键技术点源代码，源代码书写要有一定的规范，源代码中有相关的注释

2.3 作为扩展，在界面上能够定时给出当前内存的占用情况。因此根据上面的题目，可以适当地增加对其它方面的信息监控。

 

 

 

操作系统实验报告四

                       姓名：许恺

                       学号：2014011329

                       日期：12月7日

一．构思想法

题目1：编写页面内存的LRU替换算法

因为web4和3太像了，所以并没有什么难度，我只需要将替换的页面改一下就可以了，所以我加了一个属性，就是这个页面是第几个被申请的，这样既可以记录网页申请的流量，也可以将在内存中的数字最小的那个替换掉，也就是LRU算法所讲的最久未被用的那个，然后加上时间函数计算出每次用的时间进行分析报告就可以了。

题目2：编写页面内存的LFU替换算法

其实我想说我web3用的就是LFU替换算法，老师可以看我的web3报告，或者这份报告也可以，这份报告会给出对于一串申请序列，两种方法比较的时间分析。

二．源代码以及结果贴图和分析

题目1：编写页面内存的LRU替换算法

关键代码（有修改）：

Webserver4.cpp：
// webserver4.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
#include "stdafx.h"
#include <iostream>  
#include <Winsock2.h>  
#include <windows.h>
#include <string>
#include <fstream>
#include "PageMemo.h"
PageMemo Mem;    //初始化内存中的网页
SOCKET socketconn;
static string dir = "D:\xukai\学习\操作系统实验\网页";    //文件路径
int num = 1; //请求网页次数
#include "Thread.h"  
#include "CMyTask.h"
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
using namespace std;

void main(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    CMyTask taskObj;
    CThreadPool threadPool(10);
    double alltime=0;//运行总时间
    LARGE_INTEGER  large_interger;
    double dff;
    __int64  c1, c2;
    QueryPerformanceFrequency(&large_interger);
    dff = large_interger.QuadPart;
    QueryPerformanceCounter(&large_interger);
    //初始化WinSock库
    WORD wVersionRequested;
    WSADATA wsaData;

    cout << "初始化库成功" << endl;

    wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);
    int wsaret = WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);

    if (wsaret)
        return;
    //创建SOCKET 
    SOCKET socketSrv;
    socketSrv = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    if (socketSrv == INVALID_SOCKET)
        return;
    cout << "创建socket成功" << endl;
    SOCKADDR_IN addrSrv;
    addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
    addrSrv.sin_family = AF_INET;
    addrSrv.sin_port = htons(80);

    //绑定套接字
    if (bind(socketSrv, (struct sockaddr*)&addrSrv, sizeof(SOCKADDR)))
    {
        //关闭连接
        shutdown(socketSrv, 1);
        closesocket(socketSrv);
        WSACleanup();
        return;
    }
    cout << "绑定套接字成功！" << endl;
    //等待客户端连接
    SOCKADDR_IN addrCli;
    int len = sizeof(SOCKADDR);
    //监听端口
    if (listen(socketSrv, 5) == SOCKET_ERROR)
    {
        printf("监听失败!
");
    }

    while (true)
    {
        socketconn = accept(socketSrv, (SOCKADDR*)&addrCli, &len);
        //接受连接
        if (socketconn == SOCKET_ERROR)
        {
            printf("接受连接失败!
");
            return;
        }
        cout << "连接成功" << endl;
        //用QueryPerformanceCounter()来计时  微秒  
    
        c1 = large_interger.QuadPart;
        taskObj.SetData((void*)0);    //将任务内容设到对象里
        threadPool.AddTask(&taskObj);    //将任务对象添加到线程池的任务队列
        CThreadPool::Threadfunction();
        QueryPerformanceCounter(&large_interger);
        c2 = large_interger.QuadPart;
        alltime = alltime + (c2 - c1) / dff;
        printf("本次用时%lf微秒
", (c2 - c1) / dff);
        cout << "到现在为止共用时间：" << alltime << "微秒。" << endl;
        num++;
    }
    shutdown(socketSrv, 1);
    closesocket(socketSrv);
    //关闭连接

    WSACleanup();
}

PageMemo.h:
#pragma once
#include <string>
#include <fstream>
#include <iostream>
using namespace std;
/*
用来放网页的内存结构类
*/
class PageMemo
{
public:
    /*
    ***内存结构构造函数，建立10个页面信息，从磁盘写入内存10个网页信息***
    */
    PageMemo()
    {
        //ifstream fp[10];    //用10个文件读的对象
        //int i;
        //string which = "";
        //for (i = 0; i < 10; i++)
        //{
        //    which = to_string(i);
        //    file[i] = "D:\xukai\学习\操作系统实验\网页\" + which + ".html ";
        //    //cout << file[i] << endl;
        //    fp[i].open(file[i], std::ios::binary);
        //    //打开文件失败
        //    if (!fp[i].is_open())
        //    {
        //        cout << "请求文件" << which + ".html" << "不存在" << endl;
        //    }
        //    else//打开文件成功并读取
        //    {
        //        char buffer[1024];
        //        while (fp[i].good() && !fp[i].eof())
        //        {
        //            fp[i].getline(buffer, 1024);
        //            //cout << buffer << endl;
        //            //将读取的内容追加入sendBuf中
        //            Page[i].append(buffer);
        //            //cout << Page[i] << endl;
        //            buffer[0] = '';
        //        }
        //    }
        //    fp[i].close();
        //}

    }

    ~PageMemo()
    {
    }
    /*
    ****LRU算法的函数，找出前面最久未使用的页面替换
    */
    int LRU()
    {
        int M = lru[0], X = 0;
        for (int i = 1; i < 10; i++)    
        {
            if (lru[i] < M)
            {
                X = i;
                M = lru[i];
            }

        }
        return X;
    }
    /*
    ***求出被用过次数最少的内存中的页面，用的最普通的算法***
    */
    int Min()
    {
        int M = User_f[0], X = 0;
        for (int i = 1; i < 10; i++)
        {
            if (User_f[i] < M)
            {
                X = i;
                M = User_f[i];
            }

        }
        return X;
    }
    /*
    ***在屏幕上打印当前页面的路径信息和使用次数***
    */
    void print()
    {
        cout << "现在要输出我当前的网页的内存信息：" << endl;
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            cout << "   " << file[i] << "   " << User_f[i]<<"    "<<lru[i] << endl;
        }
    }
    //得到第i条路径的内容
    string getfile(int i) { return file[i]; }
    //得到第i个页面的内容
    string getPage(int i) { return Page[i]; }
    //得到第i个页面使用次数
    int getUser_f(int i) { return User_f[i]; }
    //使用过一次这个网页了，使用次数+1
    void plusone(int i) { User_f[i]++; }
    //修改file内容函数
    void writefile(int i, string f) { file[i] = f; }
    //修改Page内容函数
    void writePage(int i, string p) { Page[i] = p; }
    //修改User_f值的函数
    void writeUser_f(int i, int n) { User_f[i] = n; }
    //当网页被使用，修改他的lru    
    void writelru(int i, int n) { lru[i] = n; }
private:
    string file[10];    //页面路径
    string Page[10];    //页面信息
    int User_f[10] = { 0 };        //使用次数
    int lru[10] = { 0 };    //此网页第几个被使用，最小的就是最久没被用的
};

CMyTask.h:
#pragma once
#include "Thread.h"
#include "windows.h"
#include "PageMemo.h"
class CMyTask : public CTask
{
public:
    CMyTask() {}
    inline int Run()
    {
        printf("Process startup!
");
        //init
        WORD wVersionRequested;
        WSADATA wsaData;
        wVersionRequested = MAKEWORD(2, 2);
        WSAStartup(wVersionRequested, &wsaData);
        DWORD pid = ::GetCurrentProcessId();

        sockaddr_in sa;
        int add_len = sizeof(sa);
        if (socketconn != INVALID_SOCKET)
        {
            getpeername(socketconn, (struct sockaddr *)&sa, &add_len);
            //while (1)
            //{
            //连接成功后与客户端进行会话
            char recvBuff[10000];
            string sendBuf;
            string locDir;
            ifstream fp;
            //接收请求
            if (recv(socketconn, recvBuff, 10000, 0) == SOCKET_ERROR)
            {
                printf("%d
", socketconn);
                printf("error!");
                getchar();
                return 0;
            }
            //读取http请求头
            string recvBuffer = recvBuff;
            int posGet = recvBuffer.find("GET", 0);
            int posHttp = recvBuffer.find("HTTP", 0);
            //截取html文件路径
            for (int pos = posGet + 4; pos < posHttp; pos++)
            {
                if (recvBuffer[pos] == '/')
                {
                    locDir.push_back('\');
                    continue;
                }
                locDir.push_back(recvBuffer[pos]);
            }
            locDir = dir + locDir;
            int i;
            //打开http请求文件进行读取
            for (i = 0; i < 10; i++)    //看看内存里有没有现成的
            {
                //cout << locDir << endl;
                //cout << Mem.getfile(i) << endl;
                if (strcmp(locDir.c_str(), Mem.getfile(i).c_str()) == 0)    //匹配字符串
                {
                    cout << "在内存中找到相应的页面信息啦！！！" << endl;
                    Mem.plusone(i);    //使用次数+1
                                    //cout << Mem.getPage(i) << endl;
                    sendBuf = Mem.getPage(i);
                    break;
                }
            }
            if (i == 10)    //内存中没有，从磁盘中调取
            {
                cout << "555555,/(ㄒoㄒ)/~~还得从磁盘取~~" << endl;
                fp.open(locDir.c_str(), std::ios::binary);
                //打开文件失败
                if (!fp.is_open())
                {
                    cout << "请求文件" << locDir.c_str() << "不存在" << endl;
                }
                else//打开文件成功并读取
                {
                    char buffer[1024];
                    while (fp.good() && !fp.eof())
                    {
                        fp.getline(buffer, 1024);
                        //将读取的内容追加入sendBuf中
                        sendBuf.append(buffer);
                        buffer[0] = '';
                    }
                }
                fp.close();
                //int x = Mem.Min();    //找到最不经常用的页
                int x = Mem.LRU();    //找到LRU算法的结果
                Mem.writefile(x, locDir);    //把调用的页的路径也放内存里
                Mem.writePage(x, sendBuf);    //把调用的页放到内存里
                Mem.writeUser_f(x, 1);        //将使用次数置为一
                Mem.writelru(x, num);
            }
            Mem.print();
            //响应请求，将页面信息发送到客户端
            //cout << sendBuf << endl;
            if (send(socketconn, sendBuf.c_str(), sendBuf.length(), 0) == SOCKET_ERROR)
            {
                return 0;
            }
            shutdown(socketconn, 1);
            //关闭连接
            i = 0;    //重置计数的i
            closesocket(socketconn);
        }
        else
        {
            printf("[%d]fail accept:%d
", pid, ::WSAGetLastError());
        }
        return 0;
    }
};

线程池（未修改）：
Thread.h:
#pragma once
#ifndef __THREAD_H  
#define __THREAD_H  
#include "PageMemo.h"
#include <vector>  
#include <string>  
#include <pthread.h> 
#pragma comment(lib,"x86/pthreadVC2.lib")
using namespace std;

/**
* 执行任务的类，设置任务数据并执行
*/
class CTask
{
protected:
    string m_strTaskName;  /** 任务的名称 */
    void* m_ptrData;       /** 要执行的任务的具体数据 */
public:
    CTask() {}
    CTask(string taskName)    //任务类的重载：设置任务名，设置任务内容为空
    {
        m_strTaskName = taskName;
        m_ptrData = NULL;
    }
    virtual int Run() = 0;            /*启动任务的虚函数*/
    void SetData(void* data);    /** 设置任务数据 */

public:
    virtual ~CTask() {}    //虚拟析构函数
};

/**
* 线程池管理类的实现
*/
class CThreadPool
{
private:
    static  vector<CTask*> m_vecTaskList;     /** 任务列表 */
    static  bool shutdown;                    /** 线程退出标志 */
    int     m_iThreadNum;                     /** 线程池中启动的线程数 */
    pthread_t   *pthread_id;

    static pthread_mutex_t m_pthreadMutex;    /** 线程同步锁 */
    static pthread_cond_t m_pthreadCond;      /** 线程同步的条件变量 */

protected:
    static int MoveToIdle(pthread_t tid);       /** 线程执行结束后，把自己放入到空闲线程中 */
    static int MoveToBusy(pthread_t tid);       /** 移入到忙碌线程中去 */
    static void* ThreadFunc(void*); /** 新线程的线程回调函数 */
    int Create();          /** 创建线程池中的线程 */

public:
    static void Threadfunction();    //在主函数中调用的任务函数
    CThreadPool(int threadNum = 10);
    int AddTask(CTask *task);      /** 把任务添加到任务队列中 */
    int StopAll();                 /** 使线程池中的线程退出 */
    int getTaskSize();             /** 获取当前任务队列中的任务数 */
};

#endif

Thread.cpp:
#include "stdafx.h"
#include "Thread.h"  
#include <iostream>  

void CTask::SetData(void * data)  //设置任务的具体内容
{
    m_ptrData = data;
}

vector<CTask*> CThreadPool::m_vecTaskList;         //任务列表  
bool CThreadPool::shutdown = false;            //设置关闭为0

pthread_mutex_t CThreadPool::m_pthreadMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;    //设置变量值
pthread_cond_t CThreadPool::m_pthreadCond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

/**
* 线程池管理类构造函数
*/
CThreadPool::CThreadPool(int threadNum)
{
    this->m_iThreadNum = threadNum;    //用参数设置线程数量
    cout << "I will create " << threadNum << " threads
" << endl;
    Create();    //调用创建线程的函数
}

/**
* 线程回调函数
*/
void* CThreadPool::ThreadFunc(void*)
{

    return (void*)1;
}

void CThreadPool::Threadfunction()
{
    pthread_t tid = pthread_self();
    printf("tid %lu run
", tid);
    vector<CTask*>::iterator iter = m_vecTaskList.begin();    //添加迭代器从任务列表开头
/**
* 取出一个任务并处理之
*/
    CTask* task = *iter;
    if (iter != m_vecTaskList.end())
    {
        task = *iter;
        m_vecTaskList.erase(iter);
    }

    pthread_mutex_unlock(&m_pthreadMutex);

    task->Run(); /** 执行任务 */
    printf("tid:%lu idle
", tid);

}

int CThreadPool::MoveToIdle(pthread_t tid)
{
    return 0;
}

int CThreadPool::MoveToBusy(pthread_t tid)
{
    return 0;
}

/**
* 往任务队列里边添加任务并发出线程同步信号
*/
int CThreadPool::AddTask(CTask *task)
{
    pthread_mutex_lock(&m_pthreadMutex);
    this->m_vecTaskList.push_back(task);
    pthread_mutex_unlock(&m_pthreadMutex);
    pthread_cond_signal(&m_pthreadCond);
    return 0;
}

/**
* 创建线程
*/
int CThreadPool::Create()
{
    pthread_id = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t) * m_iThreadNum);
    for (int i = 0; i < m_iThreadNum; i++)
    {
        pthread_create(&pthread_id[i], NULL, ThreadFunc, NULL);
    }
    return 0;
}

/**
* 停止所有线程
*/
int CThreadPool::StopAll()
{
    /** 避免重复调用 */
    if (shutdown)
    {
        return -1;
    }
    printf("Now I will end all threads!!
");
    /** 唤醒所有等待线程，线程池要销毁了 */
    shutdown = true;
    pthread_cond_broadcast(&m_pthreadCond);
    /** 阻塞等待线程退出，否则就成僵尸了 */
    for (int i = 0; i < m_iThreadNum; i++)
    {
        pthread_join(pthread_id[i], NULL);
    }
    free(pthread_id);
    pthread_id = NULL;
    /** 销毁条件变量和互斥体 */
    pthread_mutex_destroy(&m_pthreadMutex);
    pthread_cond_destroy(&m_pthreadCond);
    return 0;
}

/**
* 获取当前队列中任务数
*/
int CThreadPool::getTaskSize()
{
    return m_vecTaskList.size();
}

 

结果贴图：（因为我有10个内存页面，当我输入，第0，1,2,3,4,5,6,7,8,9,2，23,5，54,4，456,3,2，4,4356,9个页面时的结果，LRU）

0，

。

。

。

9,

23,

54,

2，

456,

3,

4356,

3，

分析：我们发现从外存调入的大概会用到0.08微秒以上，而从内存中直接用的用时在0.07微秒左右或以下，可看出从内存中是快的，当然可能也跟文件的大小有关系，但是不影响大局。

LFU算法：

0，

。

。

9,

23,

54,

2，

456,

3,

4356,

3，

 

分析：LFU的算法时间就很明显了，从外存拿的用时0.1微秒多，而从内存拿的只用了0.04微秒左右，总时间用了1.41638微秒，而LRU算法用了1.17903微秒，在这个序列上LRU算法要比LFU算法要快一些，虽然只实验了一个序列，但是大部分序列LRU算法都是较好的一种算法。

三．查阅的文献

1.http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/6854764 时间函数集锦

四．体会感想

其实没什么感想，因为和web3一样，而且有很多同学web3就把这个做了，恩，就这样，没什么难度，时间函数也是一查就有。没了。