LRU页面调度算法实现

OPT、FIFO、LRU算法的实现⼀、实验⽬的1. 了解虚拟存储技术的特点，掌握虚拟存储请求页式存储管理中⼏种基本页⾯置换算法的基本思想和实现过程，并⽐较它们的效率。

2. 了解程序设计技术和内存泄露的原因⼆、实验内容模拟实现请求页式存储管理的⼏种基本页⾯置换算法最佳淘汰算法（OPT）先进先出的算法（FIFO）最近最久未使⽤算法（LRU）三、实验原理1. 虚拟存储系统UNIX中，为了提⾼内存利⽤率，提供了内外存进程对换机制；内存空间的分配和回收均以页为单位进⾏；⼀个进程只需将其⼀部分（段或页）调⼊内存便可运⾏；还⽀持请求调页的存储管理⽅式。

当进程在运⾏中需要访问某部分程序和数据时，发现其所在页⾯不在内存，就⽴即提出请求（向CPU发出缺中断），由系统将其所需页⾯调⼊内存。

这种页⾯调⼊⽅式叫请求调页。

为实现请求调页，核⼼配置了四种数据结构：页表、页框号、访问位、修改位、有效位、保护位等。

2. 页⾯置换算法当CPU接收到缺页中断信号，中断处理程序先保存现场，分析中断原因，转⼊缺页中断处理程序。

该程序通过查找页表，得到该页所在外存的物理块号。

如果此时内存未满，能容纳新页，则启动磁盘I/O将所缺之页调⼊内存，然后修改页表。

如果内存已满，则须按某种置换算法从内存中选出⼀页准备换出，是否重新写盘由页表的修改位决定，然后将缺页调⼊，修改页表。

利⽤修改后的页表，去形成所要访问数据的物理地址，再去访问内存数据。

整个页⾯的调⼊过程对⽤户是透明的。

最佳淘汰算法（OPT）：选择永不使⽤或在未来最长时间内不再被访问的页⾯予以替换。

先进先出的算法（FIFO）：选择在内存中驻留时间最久的页⾯予以替换。

最近最久未使⽤算法（LRU）：选择过去最长时间未被访问的页⾯予以替换。

3. ⾸先⽤srand( )和rand( )函数定义和产⽣指令序列，然后将指令序列变换成相应的页地址流，并针对不同的算法计算出相应的命中率。

（1）通过随机数产⽣⼀个指令序列，共320条指令。

【算法】页⾯置换算法FIFO、LRU和LFU的概述以及实现⽅式【算法】页⾯置换算法FIFO、LRU和LFU的概述以及实现⽅式页⾯置换算法，我们最常⽤的页⾯置换算法包括FIFO先来先服务，LRU最近最久未被使⽤，LFU最近最少被使⽤以及我们的时钟置换算法。

⼀、FIFO算法——先来先服务1、简述FIFO算法FIFO算法是我们⽐较简单的置换算法，就是先来先服务或者说是先进先出。

也就是说在进⾏页⾯置换的时候，最先来的那个会被最先置换出去。

先进⼊的指令先完成并引退，跟着才执⾏第⼆条指令。

2、FIFO算法的简单实现FIFO算法的简单实现：可以通过维护⼀个链表结构去存储当前调⼊的页⾯；将最先进⼊的页⾯维护在链表的最前，最后进⼊的页⾯维护在链表的最后；这样，当发⽣缺页中断时，需要进⾏置换的时候，淘汰表头的页⾯并将新调⼊的页⾯加到链表的尾部；当然除了链表以外我们还可以采⽤数组或者队列等来进⾏实现。

3、FIFO算法的特点（1）FIFO算法实现简单，易于理解易于编程。

FIFO算法实现简单，⽆须硬件⽀持，只需要⽤循环数组管理物理块即可。

（2）FIFO算法可能会出现Belady现象。

也就是在FIFO算法中，如果未分配够⼀个进程所要求的页⾯，有时就会出现分配的页⾯数增多，却也率反⽽增加Belady现象。

（3）FIFO算法可能会置换调重要的页⾯，其效率不⾼。

（4）在FIFO算法可能中会导致多次的页⾯置换。

当页⾯置换的时间⼤于所要操作的时间的时候，这时候其效率就会很低。

当其不停的进⾏页⾯置换的时候会出现⼤量的系统抖动现象。

⼆、LRU算法——最近最久未被使⽤1、简述LRU算法LRU算法是最近最久未被使⽤的⼀种置换算法。

也就是说LRU是向前查看。

在进⾏页⾯置换的时候，查找到当前最近最久未被使⽤的那个页⾯，将其剔除在内存中，并将新来的页⾯加载进来。

2、LRU算法的实现LRU的实现就相对于FIFO的实现复杂⼀点。

我们可以采⽤哈希映射和链表相结合。

操作系统页⾯置换算法（opt,lru,fifo,clock ）实现选择调出页⾯的算法就称为页⾯置换算法。

好的页⾯置换算法应有较低的页⾯更换频率，也就是说，应将以后不会再访问或者以后较长时间内不会再访问的页⾯先调出。

常见的置换算法有以下四种（以下来⾃操作系统课本）。

1. 最佳置换算法(OPT)最佳(Optimal, OPT)置换算法所选择的被淘汰页⾯将是以后永不使⽤的，或者是在最长时间内不再被访问的页⾯,这样可以保证获得最低的缺页率。

但由于⼈们⽬前⽆法预知进程在内存下的若千页⾯中哪个是未来最长时间内不再被访问的，因⽽该算法⽆法实现。

最佳置换算法可以⽤来评价其他算法。

假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下页⾯号引⽤串： 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1进程运⾏时，先将7, 0, 1三个页⾯依次装⼊内存。

进程要访问页⾯2时，产⽣缺页中断，根据最佳置换算法，选择第18次访问才需调⼊的页⾯7予以淘汰。

然后，访问页⾯0时，因为已在内存中所以不必产⽣缺页中断。

访问页⾯3时⼜会根据最佳置换算法将页⾯1淘汰……依此类推，如图3-26所⽰。

从图中可以看出⾤⽤最佳置换算法时的情况。

可以看到，发⽣缺页中断的次数为9，页⾯置换的次数为6。

图3-26 利⽤最佳置换算法时的置换图2. 先进先出(FIFO)页⾯置换算法优先淘汰最早进⼊内存的页⾯，亦即在内存中驻留时间最久的页⾯。

该算法实现简单，只需把调⼊内存的页⾯根据先后次序链接成队列，设置⼀个指针总指向最早的页⾯。

但该算法与进程实际运⾏时的规律不适应，因为在进程中，有的页⾯经常被访问。

图3-27 利⽤FIFO 置换算法时的置换图这⾥仍⽤上⾯的实例，⾤⽤FIFO 算法进⾏页⾯置换。

进程访问页⾯2时，把最早进⼊内存的页⾯7换出。

然后访问页⾯3时，再把2, 0, 1中最先进⼊内存的页换出。

实验报告实验说明：执行程序时，当主存没有可用页面时，为了选择淘汰主存中的哪一页 面，腾出1个空闲块以便存放新调入的页面。

淘汰哪个页面的首要问题是 选择何种置换算法。

该程序采用LRU 方法选择，依置换策略选择一个可置 换的页面并计算它们的缺页率以便比较。

包括实验内容及条件) 主要参考书 计算机操作系统原理 操作系统 算法流程图:西安大学出版社 电子工业出版社 汤子涵主编 William Stallings 著主更算法流程图(包括实验步骤int ijndex=-l;for(i=0;i<M;i++){if(a[i]=-l){index=i;break:return index;void swap(int x){int i,k,temp,tempO;int index=isIn(xjeg|O]); /****判断x 是否在reg[O]数组中*******/if(index!=-l){reg[ 1 ][index]=reg[ 1 ] [index] A N; /**reg[ 1 ] [index]异或二进制数10000000**/}else{temp=isFull(reg[OJ);if(temp!=-l){ /*******内存没有满，直接调入页而************/reg[O][temp]=x;reg[ l][temp]=reg( l][tcnip]A N;}else if(temp==-l){k=min(reg[l ]);/**置换出寄存器中数值最小的对应的下标的页面***/tenipO=reg[O][k]; /*********临时保留要换出的页而号*****/ reg[O][k]=x;reg[l][k]=reg[l](kpN:printf(M the page %d is exchanged out!\n M,tempO);/******打印要置换出的页号** ******* *****/count++; /*********g 换次数加1 ♦*****♦*♦*****/ }}for(i=0;i<M;i++){reg[l][i]=reg[l][i]»l;/******** 寄存器中的所有数右移一位 *****/ }}niain(){ int x;system("cls");init();printfC^Input a sort of pages\n n); printf(v while you input -1 Jt will stop!\n H);scanf(M%d M,&x);/********输入页面号，宜到页而号为-!*♦*******/ while(x!=-l){num++; /*******输入的页而次数加1枠**#粋/swap(x);scanf(,r%d,\&x);}/** ****** *******打印缺页数和缺页率******* *** **** ****“$*/ printf(u the count of Exchanged is: %d \n H,count);printf(u the rate of exchanged is: %f\n,\count* 1.0/nuni); getch();)本次实践计划. 进度安排及完成情况05月09号商讨如何实现本次实验以及同学之间的分工. 05月10号査阅相关资料.05月16号~05月17号基本完成程序修改完善程序.代码测试.完成实验报告.主要测试方法及测试数据，包括测试结果及实验结果：Input a sort of pageswhile you input ~1 , it will stop! 712the page 7 is exchanged out!3the page 1 is exchanged out!4the page 2 is exchanged out!2the page 3 is exchanged out!43the page 0 is exchanged out!the page 2 is exchanged out!。

实验报告院（系）：数学与计算机科学学院专业班级：学号：姓名：实验地点：实验日期：年月日一、实验目的及要求通过本实验可以加深理解有关虚拟存储器的工作原理，进一步体会和了解页面替换算法的具体实现方法。

二、实验环境PC /Windows系统/Visual C++6.0三、实验内容①实现三种算法：先进先出；OPT；LRU②页面序列从指定的文本文件（TXT文件）中取出③输出：第一行：每次淘汰的页面号，第二行：显示缺页的总次数/*全局变量*/int mSIZE; /*物理块数*/int pSIZE; /*页面号引用串个数*/static int memery[10]={0}; /*物理块中的页号*/static int page[100]={0}; /*页面号引用串*/static int temp[100][10]={0}; /*辅助数组*//*置换算法函数*/void FIFO();void LRU();void OPT();/*辅助函数*/void print(unsigned int t);void designBy();void download();void mDelay(unsigned int Delay);/*先进先出页面置换算法*/void FIFO(){int memery[10]={0};int time[10]={0}; /*记录进入物理块的时间*/int i,j,k,m;int max=0; /*记录换出页*/int count=0; /*记录置换次数*//*前mSIZE个数直接放入*/for(i=0;i<mSIZE;i++){memery[i]=page[i];time[i]=i;for(j=0;j<mSIZE;j++)temp[i][j]=memery[j];}for(i=mSIZE;i<pSIZE;i++){/*判断新页面号是否在物理块中*/for(j=0,k=0;j<mSIZE;j++){if(memery[j]!=page[i])k++;}if(k==mSIZE) /*如果不在物理块中*/{count++; /*计算换出页*/max=time[0]<time[1]?0:1;for(m=2;m<mSIZE;m++)if(time[m]<time[max])max=m;memery[max]=page[i];time[max]=i; /*记录该页进入物理块的时间*/ for(j=0;j<mSIZE;j++)temp[i][j]=memery[j];}else{for(j=0;j<mSIZE;j++)你temp[i][j]=memery[j];}}compute();print(count);}/*最近最久未使用置换算法*/void LRU(){int memery[10]={0};int flag[10]={0}; /*记录页面的访问时间*/int i,j,k,m;int max=0; /*记录换出页*/int count=0; /*记录置换次数*//*前mSIZE个数直接放入*/for(i=0;i<mSIZE;i++){memery[i]=page[i];flag[i]=i;for(j=0;j<mSIZE;j++)temp[i][j]=memery[j];}for(i=mSIZE;i<pSIZE;i++){/*判断新页面号是否在物理块中*/for(j=0,k=0;j<mSIZE;j++){if(memery[j]!=page[i])k++;elseflag[j]=i; /*刷新该页的访问时间*/ }if(k==mSIZE) /*如果不在物理块中*/{count++; /*计算换出页*/ max=flag[0]<flag[1]?0:1;for(m=2;m<mSIZE;m++)if(flag[m]<flag[max])max=m;memery[max]=page[i];flag[max]=i; /*记录该页的访问时间*/ for(j=0;j<mSIZE;j++)temp[i][j]=memery[j];}elsefor(j=0;j<mSIZE;j++)temp[i][j]=memery[j];}compute();print(count);}/*最佳置换算法*/void OPT(){int memery[10]={0};int next[10]={0}; /*记录下一次访问时间*/int i,j,k,l,m;int max; /*记录换出页*/int count=0; /*记录置换次数*//*前mSIZE个数直接放入*/for(i=0;i<mSIZE;i++){memery[i]=page[i];for(j=0;j<mSIZE;j++)temp[i][j]=memery[j];}for(i=mSIZE;i<pSIZE;i++){ /*判断新页面号是否在物理块中*/ for(j=0,k=0;j<mSIZE;j++){if(memery[j]!=page[i])k++;}if(k==mSIZE) /*如果不在物理块中*/{count++;/*得到物理快中各页下一次访问时间*/for(m=0;m<mSIZE;m++){for(l=i+1;l<pSIZE;l++)if(memery[m]==page[l])break;next[m]=l;}/*计算换出页*/max=next[0]>=next[1]?0:1;for(m=2;m<mSIZE;m++)if(next[m]>next[max])max=m;/*下一次访问时间都为pSIZE,则置换物理块中第一个*/ memery[max]=page[i];for(j=0;j<mSIZE;j++)temp[i][j]=memery[j];}elsefor(j=0;j<mSIZE;j++)temp[i][j]=memery[j];}compute();print(count);}四、实验步骤页面置换：在地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则产生缺页中断。

lru算法及例题讲解
摘要：
1.LRU算法简介
2.LRU算法原理
3.LRU算法应用
4.例题讲解
5.总结与拓展
正文：
一、LRU算法简介
最近最少使用（Least Recently Used，简称LRU）算法是一种缓存置换策略，用于决定在内存有限的情况下，如何淘汰已失效的缓存数据。

LRU算法基于一个假设：最近访问过的数据很可能会在不久的将来再次被访问。

因此，当内存有限且需要腾出空间时，优先淘汰最近访问过的数据。

二、LRU算法原理
LRU算法通过维护一个访问顺序来实现。

当一个数据被访问时，将其放入一个队列（或栈）中，并按照访问顺序进行排序。

当需要淘汰缓存时，从队尾（或栈顶）移除最近访问过的数据。

三、LRU算法应用
LRU算法广泛应用于计算机科学领域，如操作系统、浏览器缓存、数据库等领域。

通过使用LRU算法，可以有效提高缓存利用率，提高系统性能。

四、例题讲解
题目：一个含有n个元素的缓存，采用LRU算法进行缓存置换，求第k个访问的元素在缓存中的位置。

解题思路：
1.初始化一个长度为n的数组，表示每个元素在缓存中的位置。

2.模拟访问过程，每次访问一个元素，按照LRU算法进行置换，并记录访问顺序。

3.当访问第k个元素时，找到其在访问顺序中的位置，即为在缓存中的位置。

五、总结与拓展
LRU算法作为一种高效的缓存置换策略，在实际应用中具有重要意义。

了解LRU算法的原理和应用，可以帮助我们更好地解决实际问题。

LRU算法是一种常用的缓存淘汰策略，LRU全称为Least Recently Used，即最近最少使用。

它的工作原理是根据数据的历史访问记录来淘汰最近最少使用的数据，以提高缓存命中率和性能。

在Python中，可以通过各种数据结构和算法来实现LRU算法，例如使用字典和双向链表来实现LRU缓存。

一、LRU算法的基本原理LRU算法是基于"最近最少使用"的原则来淘汰缓存中的数据，它维护一个按照访问时间排序的数据队列，当缓存空间不足时，会淘汰最近最少使用的数据。

LRU算法的基本原理可以用以下步骤来说明：1. 维护一个有序数据结构，用来存储缓存中的数据和访问时间。

2. 当数据被访问时，将其移动到数据结构的最前面，表示最近被使用过。

3. 当缓存空间不足时，淘汰数据结构最后面的数据，即最近最少使用的数据。

二、使用Python实现LRU算法在Python中，可以使用字典和双向链表来实现LRU算法。

其中，字典用来存储缓存数据，双向链表用来按照访问时间排序数据。

1. 使用字典存储缓存数据在Python中，可以使用字典来存储缓存数据，字典的键值对可以用来表示缓存的键和值。

例如：```cache = {}```2. 使用双向链表按照访问时间排序数据双向链表可以按照访问时间对数据进行排序，使得最近被访问过的数据在链表的最前面。

在Python中，可以使用collections模块中的OrderedDict来实现双向链表。

例如：```from collections import OrderedDict```3. 实现LRU算法的基本操作在Python中，可以通过对字典和双向链表进行操作来实现LRU算法的基本操作，包括缓存数据的存储、更新和淘汰。

以下是LRU算法的基本操作示例：（1）缓存数据的存储当缓存数据被访问时，可以将其存储到字典中，并更新双向链表的顺序。

例如：```def put(key, value):if len(cache) >= capacity:cache.popitem(last=False)cache[key] = value```（2）缓存数据的更新当缓存数据被再次访问时，可以更新其在双向链表中的顺序。

LRU页面调度算法实现学院计算机科学与技术专业计算机科学与技术学号学生姓名指导教师姓名2014年3月16 日目录1.实验要求 (2)2.实验目的 (2)3.实验内容 (2)4.相关知识 (2)5.实验原理 (3)6.流程图 (4)7.源代码 (5)8.运行结果 (9)9.实验心得 (10)10.参考文献 (11)LRU页调度算法实现一实验要求：1．不同的功能使用不同的函数实现（模块化），对每个函数的功能和调用接口要注释清楚。

对程序其它部分也进行必要的注释。

2．对系统进行功能模块分析、画出总流程图和各模块流程图。

3．用户界面要求使用方便、简洁明了、美观大方、格式统一。

所有功能可以反复使用，最好使用菜单。

4．通过命令行相应选项能直接进入某个相应菜单选项的功能模块。

5．所有程序需调试通过。

二实验目的：将课本上的理论知识和实际有机的结合起来，独立分析和解决实际问题的机会。

进一步巩固和复习操作系统的基础知识。

培养学生结构化程序、模块化程序设计的方法和能力。

提高学生调试程序的技巧和软件设计的能力。

提高学生分析问题、解决问题以及综合利用C 语言进行程序设计的能力。

三实验内容：程序应模拟实现LRU 算法思想，对n个页面实现模拟调度。

四相关知识：1．虚拟存储器的引入：局部性原理：程序在执行时在一较短时间内仅限于某个部分；相应的，它所访问的存储空间也局限于某个区域，它主要表现在以下两个方面：时间局限性和空间局限性。

2．虚拟存储器的定义：虚拟存储器是只具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。

3．虚拟存储器的实现方式：分页请求系统，它是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能所形成的页面形式虚拟存储系统。

请求分段系统，它是在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后，所形成的段式虚拟存储系统。

五．实验原理：目前有许多页面调度算法，本实验主要涉及最近最久未使用调度算法。