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存储器管理实验

admin
行业动态
2025-04-11
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存储器管理实验通过模拟操作系统内存分配与回收机制，验证动态分区分配算法（如首次适应、最佳适应）的性能差异，分析分页、分段管理策略对地址转换和资源利用率的影响，实验结果表明合理的内存分配策略能有效减少碎片，提升系统运行效率。

实验目的

理解物理内存与虚拟内存的关系
通过模拟分页机制，观察操作系统如何将虚拟地址转换为物理地址，并分析地址转换过程对程序性能的影响。
掌握动态内存分配算法
实现首次适应（First Fit）、最佳适应（Best Fit）、最差适应（Worst Fit）等算法，对比不同策略的内存利用率和碎片问题。
实践页面置换策略
模拟先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）、最优置换（OPT）等算法，评估不同场景下的缺页率与系统效率。

实验原理与关键技术

分页与分段机制

分页：将内存划分为固定大小的页框，程序按页加载，通过页表实现逻辑地址到物理地址的映射。
分段：按逻辑模块（如代码段、数据段）划分内存，支持动态扩展，但易产生外部碎片。

动态内存分配算法

首次适应：从空闲区链表头部开始搜索，选择第一个满足需求的空闲块。
最佳适应：遍历所有空闲块，选择大小最接近需求的空闲区，减少内部碎片。
伙伴系统：通过递归分割与合并内存块，解决外部碎片问题，常用于Linux内核。

页面置换算法对比
| 算法 | 特点 | 适用场景 |
|——|——|———-|
| FIFO | 实现简单，但存在Belady现象 | 内存访问模式稳定 |
| LRU | 基于局部性原理，开销较大 | 高频访问局部数据 |
| OPT | 理论最优，但需预知未来访问序列 | 算法性能评估基准 |

实验步骤与代码示例
以下以模拟动态内存分配为例，展示实验流程：

初始化内存池

#define MEM_SIZE 1024 // 内存总大小  
char memory[MEM_SIZE]; // 模拟物理内存  
struct block {  
 size_t size;  
 int free;  
 struct block *next;  
};  
struct block *free_list = (void*)memory;

实现首次适应算法

存储器管理实验

void* first_fit(size_t request_size) {  
 struct block *current = free_list;  
 while (current) {  
     if (current->free && current->size >= request_size) {  
         split_block(current, request_size);  
         current->free = 0;  
         return (void*)(current + 1);  
     }  
     current = current->next;  
 }  
 return NULL; // 内存不足  
}