cache—主存—辅存三级调度模拟

近日，在体系结构的课程中，老师留了一个上机作业，为cache—主存—辅存三级调度模拟，要求如下：

实现三级存储体系的模拟调度程序

描述：CPU在cache访问数据块，若命中给出对应的cache实地址，若不命中在主存中查找，如果找到调入到cache中，若是cache已满使用LRU算法进行替换，采用写回法保持cache与主存的一致性。若是没有命中在辅存中查找，找到之后调入到主存，并更新cache。

实验要求：

（1）主存的容量可以更改

（2）分配给程序的页面数可以更改

（3）Cache采用组相连映像，cache大小、组数、组内块数均可以更改

（4）地址流可以采用输入的方式给出

（5）辅存部分可以不用实现

（6）要求有图形化的用户界面，上述参数均可以直接输入。

（7）显示执行程序时数据块以及页面的替换过程

（8）编程语言：选取自己熟悉的高级语言

百度了很久，没有找到Cache组相联映像的LRU替换算法，以下只是自己的一点想法与思路，若有不足，欢迎指正。

程序运行界面如下：

　　

　点击确定后：

　　

第0组Cache块中各个块的使用情况为：
T1时刻 1
T2时刻 1
T3时刻 1 4
T4时刻 4 1
T5时刻 4 1
T6时刻 4 1
T7时刻 1 0
T8时刻 0 1
T9时刻 0 1
T10时刻 1 5
T11时刻 5 4
T12时刻 5 4
T13时刻 5 4
T14时刻 5 4
T15时刻 5 4

第1组Cache块中各个块的使用情况为：
T2时刻 2
T3时刻 2
T4时刻 2
T5时刻 2 3
T6时刻 3 7
T7时刻 3 7
T8时刻 3 7
T9时刻 7 2
T10时刻 7 2
T11时刻 7 2
T12时刻 2 6
T13时刻 2 6
T14时刻 6 7
T15时刻 7 2

下面是Cache类的代码，主要实现Cache的LRU替换算法，使用LinkedHashMap本身自带的特性实现的LRU算法

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;

/**
 * 模拟Catch块中的LRU替换算法
 * 此处使用java中LinkedHashMap,利用其自身特性，对removeEldestEntry()方法进行重写
 * @author SUIXUE
 *
 */
public class Cache {

    public  int cacheSize = 2;

    public Cache(){

    }

    public Cache(int cacheSize){
        this.cacheSize = cacheSize;
    }

    //此处的写法避免了新建类，也无需继承
    Map<Integer, Integer> map = new LinkedHashMap<Integer, Integer>((int) Math.ceil(cacheSize / 0.75f) + 1, 0.75f, true) {
        /**
         *
         */
        private static final long serialVersionUID = 1L;

        @Override
        protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Integer, Integer> eldest) {
        return size() > cacheSize;
        }
    };

    /**
     * 重写toString()方法
     */
    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (Map.Entry<Integer, Integer> entry : this.map.entrySet()) {
            sb.append(String.format("%s   ", entry.getKey()));
        }
        return sb.toString();
    }

    /**
     * 此处的主要目的是在Cache中采用组相联映像时，在输出结果时同时显示当前时间
     * @param addr
     * @return
     */
    public String display(int[] addr){
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        int index =15-addr.length+1;
        for(int i = 0; i < addr.length;i++){
            this.map.put(addr[i], 0);
            sb.append("T").append(index++).append("时刻   ").append(this.toString()+"\n");
        }
        return sb.toString();
    }
}

下面是主界面的代码

 import java.awt.BorderLayout;
 import java.awt.GridLayout;
 import java.awt.event.ActionEvent;
 import java.awt.event.ActionListener;
 import java.util.ArrayList;

 import javax.swing.BorderFactory;
 import javax.swing.JButton;
 import javax.swing.JFrame;
 import javax.swing.JLabel;
 import javax.swing.JOptionPane;
 import javax.swing.JPanel;
 import javax.swing.JScrollPane;
 import javax.swing.JTextArea;
 import javax.swing.JTextField;

 /**
  * MainFrame类： 继承JFrame，同时实现接口ActionListener
  *
  * @author SUIXUE
  *
  */
 public class MainFrame extends JFrame implements ActionListener {

     /**
      *
      */
     private static final long serialVersionUID = 1L;

     private int memory = 0;
     private int page = 0;
     private int memoryQuNum = 0;

     public int cacheSizeNum = 16;
     public int cacheGroupNum = 2;
     public int cacheBlockNumber = 2;

     private int cacheNum = cacheGroupNum * cacheBlockNumber;
     private int memoryBlockNum = 0;
     public int[] addr = new int[] {1,2,4,1,3,7,0,1,2,5,4,6,4,7,2};//默认的地址流，可以在界面文本框中更改

     public Cache[] cache;// 将cache的每组看做一个cache块
     public ArrayList<Integer>[] cacheAddrs;// 每组都有对应的地址流

     /**
      * 初始化Cache分组(本方法是将每个分组看做一个单独独立的Cache块)
      */
     public void initCache() {
         for (int i = 0; i < cache.length; i++) {
             cache[i] = new Cache(cacheBlockNumber);
         }
     }

     /**
      * 初始化地址流
      * 将用户输入的地址流，通过分析，分别对应进入不同的Cache分组中
      */
     public void initAddrs() {
         for (int i = 0; i < cacheAddrs.length; i++) {
             cacheAddrs[i] = new ArrayList<>();
         }
         for (int i = 0; i < addr.length; i++) {
             int temp = addr[i] % this.cacheNum;// 7%4 = 3
             int groupNum = temp / this.cacheBlockNumber;// 3/2 = 1

             ArrayList<Integer> arrayList = cacheAddrs[groupNum];
             arrayList.add(addr[i]);// 向各组添加地址流

             //当当前地址不对其他组进行影响时，其他组中的Cache地址流其实等同于该时刻仍是它上一次的地址
             if(i != 0){
                 for(int j = 0; j < cacheGroupNum;j++){
                     if(j != groupNum && cacheAddrs[j].size()>0){
                         cacheAddrs[j].add(cacheAddrs[j].get(cacheAddrs[j].size()-1));
                     }
                 }
             }
         }
     }

     private JPanel mainPanel;

     /**
      * 左侧面板
      */
     private JPanel originalPanel;

     // 主存大小
     private JPanel memoryPanel;
     private JLabel memorySizeLabel;
     private JTextField memorySize;

     // 页面数
     private JPanel pagePanel;
     private JLabel pageNumLabel;
     private JTextField pageNum;

     // cache
     private JPanel cachePanel;

     // cache大小
     private JPanel cacheSizePanel;
     private JLabel cacheSizeLabel;
     private JTextField cacheSize;

     // 组数
     private JPanel cacheGroupSizePanel;
     private JLabel cacheGroupSizeLabel;
     private JTextField cacheGroupSize;

     // 组内块数
     private JPanel cacheBlockNumPanel;
     private JLabel cacheBlockNumLabel;
     private JTextField cacheBlockNum;

     // 按钮
     private JPanel button;
     private JPanel addrPanel;
     private JTextField addrText;
     private JLabel addrLabel;
     private JButton affirm;

     /**
      * 右侧面板
      */
     private JScrollPane scrollPanel;
     private JPanel resultPanel;

     private JLabel display;

     // 右侧转换结果显示框
     private JTextArea resultArea;

     /**
      * 构造函数
      */
     public MainFrame() {
         initComponent();
     }

     // 初始各组件
     private void initComponent() {

         // 设置布局
         mainPanel = new JPanel();
         mainPanel.setLayout(new GridLayout(1, 2));

         // --------左侧面板---------------
         originalPanel = new JPanel();
         originalPanel.setLayout(new BorderLayout());

         // -------主存面板----------------
         memoryPanel = new JPanel();
         memorySizeLabel = new JLabel("主存容量");
         memorySize = new JTextField(10);
         memorySize.setHorizontalAlignment(JTextField.RIGHT);
         memorySize.setText("32");
         JLabel unitLabel = new JLabel("KB");
         memoryPanel.add(memorySizeLabel, BorderLayout.WEST);
         memoryPanel.add(memorySize, BorderLayout.CENTER);
         memoryPanel.add(unitLabel, BorderLayout.EAST);

         // ---------页面大小面板----------------
         pagePanel = new JPanel();
         pageNumLabel = new JLabel("页面大小");
         pageNum = new JTextField(10);
         pageNum.setHorizontalAlignment(JTextField.RIGHT);
         pageNum.setText("3");
         JLabel unitLabel1 = new JLabel("页");
         pagePanel.add(pageNumLabel, BorderLayout.WEST);
         pagePanel.add(pageNum, BorderLayout.CENTER);
         pagePanel.add(unitLabel1, BorderLayout.EAST);

         JPanel tempPanel = new JPanel();
         tempPanel.setLayout(new GridLayout(2, 1));
         tempPanel.add(memoryPanel);
         tempPanel.add(pagePanel);

         // -----------cache面板---------------
         cachePanel = new JPanel();
         cachePanel.setLayout(new GridLayout(3, 1));
         cachePanel.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("cache"));

         cacheSizeLabel = new JLabel("cahce大小");
         cacheSize = new JTextField(10);
         cacheSize.setHorizontalAlignment(JTextField.RIGHT);
         cacheSize.setText("16");
         JLabel unitLabel2 = new JLabel("KB");
         cacheSizePanel = new JPanel();
         cacheSizePanel.add(cacheSizeLabel, BorderLayout.WEST);
         cacheSizePanel.add(cacheSize, BorderLayout.CENTER);
         cacheSizePanel.add(unitLabel2, BorderLayout.EAST);

         cacheGroupSizeLabel = new JLabel("cahce组数");
         cacheGroupSize = new JTextField(10);
         cacheGroupSize.setHorizontalAlignment(JTextField.RIGHT);
         cacheGroupSize.setText("2");
         JLabel unitLabel3 = new JLabel("组");
         cacheGroupSizePanel = new JPanel();
         cacheGroupSizePanel.add(cacheGroupSizeLabel, BorderLayout.WEST);
         cacheGroupSizePanel.add(cacheGroupSize, BorderLayout.CENTER);
         cacheGroupSizePanel.add(unitLabel3, BorderLayout.EAST);

         cacheBlockNumLabel = new JLabel("组内块数   ");
         cacheBlockNum = new JTextField(10);
         cacheBlockNum.setHorizontalAlignment(JTextField.RIGHT);
         cacheBlockNum.setText("2");
         JLabel unitLabel4 = new JLabel("块");
         cacheBlockNumPanel = new JPanel();
         cacheBlockNumPanel.add(cacheBlockNumLabel, BorderLayout.WEST);
         cacheBlockNumPanel.add(cacheBlockNum, BorderLayout.CENTER);
         cacheBlockNumPanel.add(unitLabel4, BorderLayout.EAST);

         cachePanel.add(cacheSizePanel);
         cachePanel.add(cacheGroupSizePanel);
         cachePanel.add(cacheBlockNumPanel);

         button = new JPanel();
         button.setLayout(new GridLayout(2,1));

         addrLabel = new JLabel("块地址流   ");
         addrText = new JTextField(20);
         addrText.setHorizontalAlignment(JTextField.RIGHT);
         addrText.setText("1 2 4 1 3 7 0 1 2 5 4 6 4 7 2");
         addrPanel = new JPanel();
         addrPanel.add(addrLabel,BorderLayout.WEST);
         addrPanel.add(addrText,BorderLayout.CENTER);

         JPanel affirmPanel = new JPanel();
         affirm = new JButton("确定");
         affirmPanel.add(affirm,BorderLayout.CENTER);

         button.add(addrPanel);
         button.add(affirmPanel);
         affirm.addActionListener(this);

         originalPanel.add(tempPanel, BorderLayout.NORTH);
         originalPanel.add(cachePanel, BorderLayout.CENTER);
         originalPanel.add(button, BorderLayout.SOUTH);

         // --------右侧面板---------------
         resultPanel = new JPanel();
         resultPanel.setLayout(new BorderLayout());

         display = new JLabel("Cache中各个块的使用情况");

         resultArea = new JTextArea();
         resultArea.setEditable(false);
         resultArea.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("RESULT"));

         scrollPanel = new JScrollPane(resultArea);

         resultPanel.add(display, BorderLayout.NORTH);
         resultPanel.add(scrollPanel, BorderLayout.CENTER);

         // -------------------------------------------------------
         mainPanel.add(originalPanel);
         mainPanel.add(resultPanel);
         mainPanel.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("三级调度模拟"));

         this.add(mainPanel);
         this.setTitle("小可爱的三级调度模拟");
         this.setSize(750, 350);
         this.setDefaultCloseOperation(EXIT_ON_CLOSE);
         this.setResizable(false);
         this.setLocationRelativeTo(null);
         this.setVisible(true);

     }

     @Override
     public void actionPerformed(ActionEvent e) {

         try {
             this.memory = Integer.valueOf(memorySize.getText());
             this.page = Integer.valueOf(pageNum.getText());
             this.cacheSizeNum = Integer.valueOf(cacheSize.getText());
             this.cacheGroupNum = Integer.valueOf(cacheGroupSize.getText());
             this.cacheBlockNumber = Integer.valueOf(cacheBlockNum.getText());
             this.cacheNum = cacheGroupNum * cacheBlockNumber;
             this.memoryQuNum = this.memory / this.cacheSizeNum;
             this.memoryBlockNum = this.memoryQuNum * this.cacheNum;

             cache = new Cache[cacheGroupNum];
             cacheAddrs = new ArrayList[cacheGroupNum];

             String addrString = this.addrText.getText();
             String[] addrItems = addrString.split(" ");

             for(int i=0;i<addrItems.length;i++){
                 this.addr[i]=Integer.parseInt(addrItems[i]);
             }

             this.initCache();
             this.initAddrs();

             StringBuilder sb = new StringBuilder();
             for (int i = 0; i < this.cache.length; i++) {
                 sb.append("第").append(i).append("组Cache块中各个块的使用情况为：\n");
                 int[] addrTemp = new int[cacheAddrs[i].size()];
                 for (int j = 0; j < this.cacheAddrs[i].size(); j++) {
                     addrTemp[j] = ((Integer) this.cacheAddrs[i].get(j))
                             .intValue();
                 }
                 sb.append(this.cache[i].display(addrTemp)).append("\n");
             }
             resultArea.setText(sb.toString());
         } catch (Exception ex) {
             JOptionPane.showMessageDialog(null, "所有输入均为正整数！\n地址流输入只能用一个空格隔开", "Sorry",
                     JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE);
             memorySize.setText("32");
             pageNum.setText("3");
             cacheSize.setText("16");
             cacheGroupSize.setText("2");
             cacheBlockNum.setText("2");
             addrText.setText("1 2 4 1 3 7 0 1 2 5 4 6 4 7 2");
         }

     }

     /**
      * main 方法
      *
      * @param args
      */
     public static void main(String[] args) {
         new MainFrame();
     }
 }

MainFrame

在解决Cache的组相联映像中，我主要采用的方法是将地址流随Cache分组而进行分组，只有特定的主存块才能进入到特定的Cache组中。针对每一组的Cache进行基本的Cache的LRU替换算法（Cache类中）