操作系统-页面置换算法

操作系统十大算法具体内容操作系统是计算机系统的核心组成部分，主要负责管理计算机的硬件资源和提供各种系统服务。

操作系统算法是操作系统实现各种功能和服务的基础，包括进程调度、内存管理、文件系统等方面。

下面将介绍操作系统中的十大算法，以及它们在操作系统中的具体内容：1.进程调度算法进程调度算法决定了操作系统如何选择就绪队列中的进程分配处理机资源。

常见的进程调度算法包括先来先服务调度算法（FCFS）、最短作业优先调度算法（SJF）、轮转调度算法（RR）等。

这些算法基于进程的优先级、执行时间、资源需求等考虑，来决定选择哪个进程获得处理机资源。

2.内存管理算法内存管理算法决定了如何有效地分配和回收内存资源。

常见的内存管理算法包括固定分区算法、动态分区算法和虚拟内存管理算法等。

这些算法根据进程的内存需求和空闲内存空间的情况，来决定如何分配和回收内存资源。

3.页面置换算法页面置换算法是一种在虚拟内存管理中使用的算法，用于将进程的页面从磁盘中换入内存，并选择合适的页面进行置换。

常见的页面置换算法有最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）、最近最少使用置换算法（LRU）等。

这些算法根据页面的访问情况和页面的驻留时间来决定选择哪个页面进行置换。

4.文件管理算法文件管理算法决定了如何组织和管理文件系统中的文件。

常见的文件管理算法有顺序文件组织算法、索引文件组织算法、哈希文件组织算法等。

这些算法根据文件的访问特点和性能需求，来决定如何组织和管理文件数据。

5.磁盘调度算法磁盘调度算法决定了操作系统如何调度磁盘上的IO请求，以提高磁盘的访问效率。

常见的磁盘调度算法有先来先服务调度算法（FCFS）、最短寻半径优先调度算法（SSTF）、扫描调度算法（SCAN）等。

这些算法根据磁盘的寻道距离和IO请求的到达时间等因素，来决定选择哪个IO请求进行调度。

6.死锁检测和解决算法死锁是指多个进程因为互相等待而无法继续执行的情况。

页面置换算法课程设计一、教学目标本章节的教学目标分为三个维度：知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。

1.知识目标：使学生掌握页面置换算法的概念、原理和常见的算法，如FIFO、LRU、LFU 等。

2.技能目标：培养学生运用页面置换算法解决实际问题的能力，能够分析算法优缺点，并根据场景选择合适的算法。

3.情感态度价值观目标：培养学生对计算机科学领域的兴趣，激发学生探索和创新的精神，使其认识到算法在现代社会中的重要性。

二、教学内容本章节的教学内容主要包括以下几个部分：1.页面置换算法的概念和背景知识，如虚拟存储器、分页系统等。

2.常见页面置换算法的原理和实现，如 FIFO、LRU、LFU 等。

3.页面置换算法的性能分析，包括优缺点、适用场景等。

4.结合实际案例，让学生了解页面置换算法在操作系统中的应用。

三、教学方法为了提高教学效果，本章节将采用多种教学方法：1.讲授法：用于讲解页面置换算法的概念、原理和性能分析。

2.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解页面置换算法在操作系统中的应用。

3.实验法：安排实验课，让学生动手实现页面置换算法，提高其实际操作能力。

4.讨论法：学生分组讨论，比较不同页面置换算法的优缺点，培养学生独立思考和团队协作的能力。

四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：《操作系统原理与应用》等相关教材，提供理论知识基础。

2.参考书：提供 additional references for students who want to deepentheir understanding of the subject.3.多媒体资料：制作PPT课件，生动展示页面置换算法的原理和应用。

4.实验设备：提供计算机及相关设备，让学生进行实验操作。

五、教学评估本章节的评估方式包括以下几个方面：1.平时表现：通过课堂参与、提问、讨论等环节，评估学生的学习态度和积极性。

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。

LRU 页面置换算法1. 简介LRU（Least Recently Used）页面置换算法是一种常用的操作系统内存管理算法，用于在内存不足时决定哪些页面应该被置换出去以腾出空间给新的页面。

LRU算法基于一个简单的原则：最近最少使用的页面应该被置换。

在计算机系统中，内存是有限的资源，而运行程序所需的内存可能超过可用内存大小。

当系统发现没有足够的空闲内存来加载新页面时，就需要选择一些已经在内存中的页面进行替换。

LRU算法就是为了解决这个问题而设计的。

2. 原理LRU算法基于一个简单的思想：如果一个页面最近被访问过，那么它将来可能会再次被访问。

相反，如果一个页面很久没有被访问过，那么它将来可能不会再次被访问。

根据这个思想，LRU算法将最近最少使用的页面置换出去。

具体实现上，可以使用一个数据结构来记录每个页面最近一次被访问的时间戳。

当需要替换一页时，选择时间戳最早（即最久未访问）的页面进行替换即可。

3. 实现方式LRU算法的实现可以基于多种数据结构，下面介绍两种常见的实现方式。

3.1 使用链表一种简单的实现方式是使用一个双向链表来记录页面的访问顺序。

链表头部表示最近访问过的页面，链表尾部表示最久未被访问过的页面。

每当一个页面被访问时，将其从原位置移动到链表头部。

当需要替换一页时，选择链表尾部的页面进行替换。

这种实现方式的时间复杂度为O(1)，但空间复杂度较高，为O(n)，其中n为内存中可用页面数。

class Node:def __init__(self, key, value):self.key = keyself.value = valueself.prev = Noneself.next = Noneclass LRUCache:def __init__(self, capacity):self.capacity = capacityself.cache = {}self.head = Node(0, 0)self.tail = Node(0, 0)self.head.next = self.tailself.tail.prev = self.headdef get(self, key):if key in self.cache:node = self.cache[key]self._remove(node)self._add(node)return node.valueelse:return -1def put(self, key, value):if key in self.cache:node = self.cache[key]node.value = valueself._remove(node)self._add(node)else:if len(self.cache) >= self.capacity:del self.cache[self.tail.prev.key] self._remove(self.tail.prev)node = Node(key, value)self.cache[key] = nodeself._add(node)def _remove(self, node):prev = node.prevnext = node.nextprev.next = nextnext.prev = prevdef _add(self, node):head_next = self.head.nextself.head.next = nodenode.prev = self.headnode.next = head_nexthead_next.prev = node3.2 使用哈希表和双向链表另一种实现方式是使用一个哈希表和一个双向链表。

【精品】页面置换算法实验报告一、实验目的了解操作系统中的页面置换算法，并实现FIFO、LRU和Clock算法。

二、实验原理页面置换算法是操作系统中用到的一种算法，其作用是在内存不够用时，选择牺牲已经在内存中的一些页，腾出更多的空间给新的内容。

本次实验主要实现了FIFO、LRU和Clock算法。

1、FIFO算法FIFO算法是最简单的页面置换算法，它采用先进先出的原则，即最先进入内存的页面应该最早被替换出去。

该算法的实现非常简单，只需要维护一个队列即可。

当需要置换页面时，选择队列的第一个页面进行替换即可。

2、LRU算法LRU算法是Least Recently Used的缩写，即最近最少使用算法。

该算法的核心思想是选择最久没有被使用的页面进行替换。

为了实现该算法，需要维护记录页面使用时间的链表、栈或队列等结构。

3、Clock算法Clock算法也叫做二次机会算法，是一种改良的FIFO算法。

它是基于FIFO算法的思想，并且每个页面都设置了一个使用位（use bit），用于记录该页面是否被使用过。

当需要置换一个页面时，检查该页面的使用位，如果该页面的使用位为1，则将该页面的使用位设置为0并移到队列的末尾，表示该页面有“二次机会”继续待在内存中；如果该页面的使用位为0，则选择该页面进行替换。

三、实验过程本次实验采用Python语言实现页面置换算法，并使用样例进行测试。

1、FIFO算法实现FIFO算法的实现非常简单，只需要用一个队列来维护已经在内存中的页面，当需要置换页面时，选择队列的第一个元素即可。

代码如下：```pythonfrom collections import dequeclass FIFO:def __init__(self, frame_num):self.frame_num = frame_numself.frames = deque(maxlen=frame_num)def access(self, page):if page in self.frames:return Falseif len(self.frames) >= self.frame_num:self.frames.popleft()self.frames.append(page)return True```2、LRU算法实现LRU算法的实现需要维护一个记录页面使用时间的链表或队列。

FIFO页面置换算法的实现步骤如下：创建一个FIFO队列，用于存储所有在内存中的页面。

当发生缺页中断时，从FIFO队列的头部取出一个页面，并检查该页面是否在内存中。

如果该页面在内存中，则将其从内存中删除，并释放相应的内存空间。

如果该页面不在内存中，则需要将其加载到内存中。

此时，需要检查内存中是否有足够的空间来容纳该页面。

如果内存中有足够的空间，则将该页面加载到内存中，并将其插入到FIFO队列的头部。

如果内存中没有足够的空间，则需要将FIFO队列的头部页面替换掉，以便为新页面腾出空间。

重复上述步骤，直到所有需要的页面都被加载到内存中。

页面置换的名词解释页面置换指的是操作系统中一种内存管理技术，其主要目的是根据内存中的页面使用情况，动态地将内存中的某些页面替换出去，以便腾出空闲的内存空间给其他需要的页面使用。

页面指的是被划分为固定大小的块的内存空间，通常为4KB或者8KB。

在计算机系统中，程序在执行的过程中，会将需要的数据或指令加载到内存中进行处理。

然而，由于内存容量有限，无法一次性将所有程序所需的页面全部加载到内存中。

当程序需要页面而内存空间不足时，操作系统就会采用页面置换的技术，将原本在内存中的某些页面替换出去，给需要的页面腾出空间。

页面置换的目标是使得内存中的页面尽量是那些将来要使用到的页面，以提高程序的运行效率。

常见的页面置换算法有FIFO（先进先出）、最不常用（Least Frequently Used）、最近最少使用（Least Recently Used）等。

FIFO算法是最简单的置换算法，根据页面进入内存的先后顺序来进行替换。

当内存空间不足时，将最早进入内存的页面替换出去。

最不常用算法则是根据页面在一段时间内被访问的频率进行替换。

具体来说，每次页面被访问时，都会将该页面的访问频率加一，当内存空间不足时，选择访问频率最低的页面进行替换。

最近最少使用算法是根据页面最近一次被访问的时间来进行替换。

系统会为每个页面维护一个计时器，记录上次访问的时间。

当需要替换页面时，选择一个最久未被访问的页面进行替换。

这些页面置换算法都有各自的特点和适用场景。

FIFO算法简单且容易实现，但容易产生“抢占”现象；最不常用算法采用了频率统计的方式，可以较好地预测页面的使用情况；最近最少使用算法则更注重于页面的时间局部性。

然而，这些页面置换算法都存在着一定的问题。

例如，FIFO算法没有考虑页面的使用频率；最不常用算法也可能在短时间内无法完全准确地确定页面的使用频率；最近最少使用算法则需要维护精确的访问时间戳，带来了额外的开销。

为了解决这些问题，研究者们还提出了更加复杂的页面置换算法，如二次机会算法、clock算法、工作集算法等。

缺页中断及页⾯置换算法1. 缺页中断 在请求分页系统中，可以通过查询页表中的状态位来确定所要访问的页⾯是否存在于内存中。

每当所要访问的页⾯不在内存时，会产⽣⼀次缺页中断，此时操作系统会根据页表中的外存地址在外存中找到所缺的⼀页，将其调⼊内存。

缺页本⾝是⼀种中断，与⼀般的中断⼀样，需要经过4个处理步骤： 1. 保护CPU现场 2. 分析中断原因 3. 转⼊缺页中断处理程序进⾏处理 4. 恢复CPU现场，继续执⾏ 但是缺页中断时由于所要访问的页⾯不存在与内存时，有硬件所产⽣的⼀种特殊的中断，因此，与⼀般的中断存在区别： 1. 在指令执⾏期间产⽣和处理缺页中断信号 2. ⼀条指令在执⾏期间，可能产⽣多次缺页中断 3. 缺页中断返回时，执⾏产⽣中断的那⼀条指令，⽽⼀般的中断返回时，执⾏下⼀条指令2. 页⾯置换算法 进程运⾏过程中，如果发⽣缺页中断，⽽此时内存中有没有空闲的物理块是，为了能够把所缺的页⾯装⼊内存，系统必须从内存中选择⼀页调出到磁盘的对换区。

但此时应该把那个页⾯换出，则需要根据⼀定的页⾯置换算法（Page Replacement Algorithm)来确定。

2.1 最佳置换（Optimal， OPT)2.1.1 基本思想 置换以后不再被访问，或者在将来最迟才回被访问的页⾯，缺页中断率最低。

但是该算法需要依据以后各业的使⽤情况，⽽当⼀个进程还未运⾏完成是，很难估计哪⼀个页⾯是以后不再使⽤或在最长时间以后才会⽤到的页⾯。

所以该算法是不能实现的。

但该算法仍然有意义，作为很亮其他算法优劣的⼀个标准。

2.1.2 算例 采⽤固定分配局部置换的策略，嘉定系统为某进程在内存中分配了3个物理块，页⾯访问顺序为2、3、2、1、5、2、4、5、3、2、5、2。

假定系统未采⽤预调页策略，即未事先调⼊任何页⾯。

进程运⾏时，⼀次将2、3、1三个页⾯调⼊内存，发⽣3次缺页中断。

当第⼀次访问页⾯5时，产⽣第4次缺页中断，根据OPT算法，淘汰页⾯1，因为它在以后不会在使⽤了；第5次缺页中断时，淘汰页⾯2，因为它在5、3、2三个页⾯中，是在将来最迟才会被页⾯访问的页⾯。

页面置换算法实验报告一、实验目的本次实验的目的是通过模拟页面置换算法的过程，了解不同算法的优缺点，掌握算法的实现方法，以及对算法的性能进行评估。

二、实验原理页面置换算法是操作系统中的一个重要概念，它是为了解决内存不足的问题而产生的。

当系统中的进程需要使用内存时，如果内存已经被占满，就需要将一些页面从内存中置换出去，以便为新的页面腾出空间。

页面置换算法就是用来决定哪些页面应该被置换出去的算法。

常见的页面置换算法有以下几种：1. 最佳置换算法（OPT）最佳置换算法是一种理论上的最优算法，它总是选择最长时间内不会被访问的页面进行置换。

但是，由于无法预测未来的页面访问情况，因此最佳置换算法无法在实际中使用。

2. 先进先出置换算法（FIFO）先进先出置换算法是一种简单的置换算法，它总是选择最先进入内存的页面进行置换。

但是，这种算法容易出现“抖动”现象，即频繁地将页面置换出去，然后再将其置换回来。

3. 最近最久未使用置换算法（LRU）最近最久未使用置换算法是一种比较常用的置换算法，它总是选择最长时间未被访问的页面进行置换。

这种算法可以避免“抖动”现象，但是实现起来比较复杂。

4. 时钟置换算法（Clock）时钟置换算法是一种改进的FIFO算法，它通过维护一个环形链表来实现页面置换。

当需要置换页面时，算法会从当前位置开始扫描链表，如果找到一个未被访问的页面，则将其置换出去。

如果扫描一圈后都没有找到未被访问的页面，则将当前位置的页面置换出去。

三、实验过程本次实验使用Python语言编写了一个页面置换算法模拟程序，可以模拟上述四种算法的过程，并输出算法的性能指标。

程序的主要流程如下：1. 读取输入文件，获取页面访问序列和内存大小等参数。

2. 根据选择的算法，初始化相应的数据结构。

3. 遍历页面访问序列，模拟页面置换的过程。

4. 输出算法的性能指标，包括缺页率、页面置换次数等。

下面分别介绍四种算法的实现方法。

1. 最佳置换算法（OPT）最佳置换算法需要预测未来的页面访问情况，因此需要遍历整个页面访问序列，找到最长时间内不会被访问的页面。

页面置换算法实验报告背景页面置换算法是计算机操作系统中的一个重要概念，它用于解决操作系统需要共享有限的物理内存资源给多个进程使用的问题。

在操作系统中，每个进程都有自己的虚拟地址空间，但实际的物理内存资源是有限的。

当物理内存不足时，操作系统需要根据一定的策略将一部分进程暂时从内存中移出，以便为其他进程让出空间，而后再从外存中将其重新加载到内存中。

这个过程就是页面置换。

页面置换算法有很多种，比如最优页面置换算法（Optimal）、先进先出页面置换算法（FIFO）、最近最久未使用页面置换算法（LRU）等等。

不同的算法对于系统性能、响应时间等指标有着不同的影响，因此在实际应用中需要选择合适的算法来平衡各种需求。

本实验旨在通过模拟页面置换算法，并对不同算法进行性能分析，以便了解各种算法的优缺点，为实际系统的选择提供依据。

分析在实验中，我们选择了三种常用的页面置换算法，分别是FIFO、LRU和Optimal。

下面对这三种算法进行详细的分析和说明。

先进先出页面置换算法（FIFO）FIFO算法是最简单和最直观的页面置换算法。

它按照页面进入内存的顺序来选择被淘汰的页面。

当内存不足时，选择最早进入内存的页面进行置换，即将其从内存中移出。

FIFO算法不需要进行进一步的页面访问计算，只需要维护一个页面进入内存的队列即可，因此实现起来比较简单。

然而，由于FIFO算法没有考虑页面的访问频率和重要性，所以可能会导致被频繁访问的页面被淘汰出内存，从而影响系统的性能。

最近最久未使用页面置换算法（LRU）LRU算法是一种基于”最近使用原则”的页面置换算法。

它根据页面最近被访问的时间来选择被淘汰的页面。

当内存不足时，选择最长时间未被访问的页面进行置换，即将其从内存中移出。

LRU算法需要维护一个页面访问时间的记录，以便在需要置换时能够快速找到最近最久未使用的页面。

相比于FIFO算法，LRU算法更加合理地利用了页面的访问情况，但实现起来相对复杂一些。

操作系统课程设计报告课程名称：操作系统课程设计课程设计题目：页面置换算法学院：计算机科学与技术学院专业：科技小组成员: 庞思慧E01114081王蒙E01114161姚慧乔E01114349朱潮潮E01114408指导老师：***目录1 实验目的 (3)2 实验要求 (3)3 实验内容与步骤 (3)4 算法思想 (4)5 模块设计 (4)6 程序设计 (5)7 测试结果 (7)8 结果分析 (9)9 程序代码 (9)10 课程设计小结 (24)页面置换算法模拟设计1.实验目的（1）通过模拟实现几种基本页面置换的算法，了解虚拟存储技术的特点。

（2）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，并至少用三种算法来模拟实现。

（3）通过对几种置换算法命中率的比较，来对比他们的优缺点。

2.实验要求计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率。

A 先进先出的算法（FIFO）B 最近最少使用算法（LRU）C最佳淘汰算法（OPT）3.实验内容与步骤(1)通过随机数产生一个指令序列，共320条指令，具体的实施方法是：A．[0，319]的指令地址之间随机选取一起点M;B．顺序执行一条指令，即执行地址为M+1的指令；C．在前地址[0，M+1]中随机选取一条指令并执行，该指令的地址为M’;D．顺序执行一条指令，其地址为M’+1；E．在后地址[M’+2，319]中随机选取一条指令并执行；F．重复A—E，直到执行320次指令。

(2)指令序列变换成页地址流A.页面大小为1K；B.用户内存容量为4页到32页；C.用户虚存容量为32K。

在用户虚存中，按每K存放10条指令排列虚存地址，即320条指令在虚存中的存放方式为：第0条—第9条指令为第0页（对应虚存地址为[0，9]）；第10条—第19条指令为第1页（对应虚存地址为[10，19]）；。

第310条—第319条指令为第31页（对应虚存地址为[310，319]）；(3)计算并输出上述各种算法在不同内存容量下的命中率。

操作系统-1-存储管理之LFU页⾯置换算法（leetcode460）LFU缓存题⽬：请你为最不经常使⽤（LFU）缓存算法设计并实现数据结构。

它应该⽀持以下操作：get 和 put。

get(key) - 如果键存在于缓存中，则获取键的值（总是正数），否则返回 -1。

put(key, value) - 如果键不存在，请设置或插⼊值。

当缓存达到其容量时，则应该在插⼊新项之前，使最不经常使⽤的项⽆效。

在此问题中，当存在平局（即两个或更多个键具有相同使⽤频率）时，应该去除最近最少使⽤的键。

「项的使⽤次数」就是⾃插⼊该项以来对其调⽤ get 和 put 函数的次数之和。

使⽤次数会在对应项被移除后置为 0 。

⽰例： LFUCache cache = new LFUCache( 2 /* capacity (缓存容量) */ ); cache.put(1, 1); cache.put(2, 2); cache.get(1); // 返回 1 cache.put(3, 3); // 去除 key 2 cache.get(2); // 返回 -1 (未找到key 2) cache.get(3); // 返回 3 cache.put(4, 4); // 去除 key 1 cache.get(1); // 返回 -1 (未找到 key 1) cache.get(3); // 返回 3 cache.get(4); // 返回 4代码：1class LFUCache {23public LFUCache(int capacity) {45 }67public int get(int key) {89 }1011public void put(int key, int value) {1213 }14 }1516/**17 * Your LFUCache object will be instantiated and called as such:18 * LFUCache obj = new LFUCache(capacity);19 * int param_1 = obj.get(key);20 * obj.put(key,value);21*/LFU页⾯置换算法(最不经常使⽤算法) 原理： 选择到当前时间为⽌被访问次数最少的页⾯被置换； 每页设置访问计数器，每当页⾯被访问时，该页⾯的访问计数器加1； 发⽣缺页中断时，淘汰计数值最⼩的页⾯，并将所有计数清零； 如图：图中的页⾯为三页，依次向存储中加⼊432143543215这些数字。

【操作系统】页⾯置换算法（最佳置换算法）（C语⾔实现）【操作系统】页⾯置换算法（最佳置换算法）（C语⾔实现）（编码⽔平较菜，写博客也只是为了个⼈知识的总结和督促⾃⼰学习，如果有错误，希望可以指出）1.页⾯置换算法：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。

当发⽣缺页中断时，如果操作系统内存中没有空闲页⾯，则操作系统必须在内存选择⼀个页⾯将其移出内存，以便为即将调⼊的页⾯让出空间。

⽽⽤来选择淘汰哪⼀页的规则叫做页⾯置换算法。

⼀个好的页⾯置换算法，应具有较低的页⾯更换频率。

从理论上讲，应该保留最近重复访问的页⾯，将以后都不再访问或者很长时间内不再访问的页⾯调出。

----百度百科2.具体的页⾯置换算法：2.1 最佳置换算法：⼀个进程在内存的若⼲个页⾯中，哪⼀个页⾯是未来最长时间内不再被访问的，那么如果发⽣缺页中断时，就将该页⾯换出，以便存放后⾯调⼊内存中的页⾯。

1.这是计算机操作系统（第四版）中的⼀个例⼦。

系统⾸先为进程分配了三个物理块。

上⾯⼀排数字是作业号。

在转满三个物理块后，要访问2号作业，2号作业不在内存，所以会发⽣缺页中断，然后系统需要将2号作业调⼊内存，但是此时物理块已经装满。

2.依据最佳置换算法，会将7号页换出（0号页在2号页后第1个就会被访问，1号页在2号页后第10个会被访问，7号页在2号页后第14个会被访问，7号页在已经装⼊内存的作业中是未来最长时间不会被访问的，所以换出7号页）。

3.后⾯依次类推。

2.2 先进先出算法：如果发⽣缺页中断，需要换出⼀个页⾯的时候，总是选择最早进⼊内存的页⾯，即选择在内存中驻留时间最久的页⾯进⾏换出。

有点不清楚。

就是每次发⽣缺页就将最早进⼊内存的页⾯换出，然后将刚调⼊的页⾯换⼊该物理块。

2.3 最近最久未使⽤（LRU）置换算法：LRU算法是缺页中断发⽣时选择最久未使⽤的页⾯进⾏换出。

这个算法其实也很好判断。

分享⼀个⼩技巧。

内存分配了k个物理块，发⽣缺页中断将要往内存调⼊某个页⾯的时候，在该页⾯往前⾯数K个物理块最前⾯的那个就会是要换出的，因为该页⾯最长时间未被使⽤过。

缺页中断的解决方法
缺页中断是指在访问虚拟内存时，需要的页面不在物理内存中，需要操作系统从磁盘中读取，导致CPU的执行被中断的现象。

为了解决缺页中断问题，操作系统采用了以下几种方法：
1. 页面置换算法
操作系统采用页面置换算法，将不常用的页面从物理内存中换出到磁盘中，为新的页面腾出空间。

最常用的页面置换算法是LRU算法，即最久未使用算法。

2. 预读技术
为了避免缺页中断的发生，操作系统采用预读技术，提前将可能使用的页面读入物理内存中，减少缺页中断的发生。

3. 延迟写技术
在写入内存时，采用延迟写技术，将数据先存放在缓存区中，等到缓存区满或者需要读取数据时再写入物理内存中，减少了磁盘IO
的次数。

4. 大页技术
大页技术是指将物理内存划分为更大的页，减少了页面表的数量，从而提高了访问速度，并且减少了缺页中断的发生。

通过以上方法，操作系统可以有效地解决缺页中断问题，提高系统的性能和稳定性。

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存储管理的页面置换算法存储管理的页面置换算法在考试中常常会考到，操作系统教材中主要介绍了3种常用的页面置换算法，分别是：先进先出法（FIFO）、最佳置换法（OPT）和最近最少使用置换法（LRU）。

大家要理解3种置换算法的含义，然后能熟练地运用在具体的练习中就可以了。

1.为什么要进行页面置换在请求分页存储管理系统中，由于使用了虚拟存储管理技术，使得所有的进程页面不是一次性地全部调入内存，而是部分页面装入。

这就有可能出现下面的情况：要访问的页面不在内存，这时系统产生缺页中断。

操作系统在处理缺页中断时，要把所需页面从外存调入到内存中。

如果这时内存中有空闲块，就可以直接调入该页面；如果这时内存中没有空闲块，就必须先淘汰一个已经在内存中的页面，腾出空间，再把所需的页面装入，即进行页面置换。

有助于理解的关键词有：请求分页、虚拟存储、缺页中断、页面置换。

2.常用的页面置换算法教材中介绍的常用页面置换算法有：先进先出法（FIFO）、最佳置换法（OPT）和最近最少使用置换法（LRU）。

（1）先进先出法（FIFO）算法描述：由于认为最早调入内存的页不再被使用的可能性要大于刚调入内存的页，因此，先进先出法总是淘汰在内存中停留时间最长的一页，即先进入内存的页，先被换出。

先进先出法把一个进程所有在内存中的页按进入内存的次序排队，淘汰页面总是在队首进行。

如果一个页面刚被放入内存，就把它插在队尾。

【例1】教材第4章课后习题。

考虑下述页面走向：1，2，3，4，2，1，5，6，2，1，2，3，7，6，3，2，1，2，3，6。

当内存块数量分别为3，5时，试问先进先出置换算法（FIFO）的缺页次数是多少？（注意，所有内存块最初都是空的，凡第一次用到的页面都产生一次缺页。

）解打叉的表示发生了缺页，共缺页16次。

提示：当FIFO算法执行到蓝色的4号页面时，这时内存中有三个页面，分别是1，2，3。

按照FIFO算法，在内存中停留时间最长的页面被淘汰。

操作系统实验报告四【实验题目】虚拟内存页面置换算法【实验目的】通过这次实验, 加深对虚拟内存页面置换概念的理解, 进一步掌握先进先出FIFO, 最佳置换OPI和最近最久未使用LRU页面置换算法的实现方法。

【实验内容】问题描述:设计程序模拟先进先出FIFO, 最佳置换OPI和最近最久未使用LRU页面置换算法的工作过程。

假设内存中分配给每个进程的最小物理块数为m, 在进程运行过程中要访问的页面个数为n, 页面访问序列为P1, …,Pn, 分别利用不同的页面置换算法调度进程的页面访问序列, 给出页面访问序列的置换过程, 计算每种算法缺页次数和缺页率。

程序要求如下:1）利用先进先出FIFO, 最佳置换OPI和最近最久未使用LRU三种页面置换算法模拟页面访问过程。

2）模拟三种算法的页面置换过程, 给出每个页面访问时的内存分配情况。

3）输入：最小物理块数m, 页面个数n, 页面访问序列P1, …,Pn, 算法选择1-FIFO, 2-OPI, 3-LRU。

4）输出: 每种算法的缺页次数和缺页率。

【实验要求】1) 上机前认真复习页面置换算法, 熟悉FIFO, OPI, LRU三种页面分配和置换算法的过程；2) 上机时独立编程、调试程序；3) 根据具体实验要求, 完成好实验报告（包括实验的目的、内容、要求、源程序、实例运行结果截图）。

【源代码】//--------------- YeMianZhiHuan.cpp -----------------#include "iostream.h"const int DataMax=100;const int BlockNum = 10;int DataShow[BlockNum][DataMax]; // 用于存储要显示的数组bool DataShowEnable[BlockNum][DataMax]; // 用于存储数组中的数据是否需要显示//int Data[DataMax]={4,3,2,1,4,3,5,4,3,2,1,5,6,2,3,7,1,2,6,1}; // 测试数据//int N = 20; // 输入页面个数int Data[DataMax]; // 保存数据int Block[BlockNum]; // 物理块int count[BlockNum]; // 计数器int N ; // 页面个数int M;//最小物理块数int ChangeTimes;void DataInput(); // 输入数据的函数void DataOutput();void FIFO(); // FIFO 函数void Optimal(); // Optimal函数void LRU(); // LRU函数///*int main(int argc, char* argv[]){DataInput();// DataInput();// FIFO();// Optimal();// LRU();// return 0;int menu;while(true){cout<<endl;cout<<"* 菜单选择*"<<endl;cout<<"*******************************************************"<<endl;cout<<"* 1-FIFO *"<<endl;cout<<"* 2-Optimal *"<<endl;cout<<"* 3-LRU *"<<endl;cout<<"* 0-EXIT *"<<endl;cout<<"*******************************************************"<<endl;cin>>menu;switch(menu){case 1: FIFO();break;case 2: Optimal();break;case 3: LRU();break;default: break;}if(menu!=1&&menu!=2&&menu!=3) break;}}//*/void DataInput(){cout<<"请输入最小物理块数: ";cin>>M;while(M > BlockNum) // 大于数据个数{cout<<"物理块数超过预定值, 请重新输入: "; cin>>M;}cout<<"请输入页面的个数: ";cin>>N;while(N > DataMax) // 大于数据个数{cout<<"页面个数超过预定值, 请重新输入: "; cin>>N;}cout<<"请输入页面访问序列: "<<endl;for(int i=0;i<N;i++)cin>>Data[i];}void DataOutput(){int i,j;for(i=0;i<N;i++) // 对所有数据操作{cout<<Data[i]<<" ";}cout<<endl;for(j=0;j<M;j++){cout<<" ";for(i=0;i<N;i++) // 对所有数据操作{if( DataShowEnable[j][i] )cout<<DataShow[j][i]<<" ";elsecout<<" ";}cout<<endl;}cout<<"缺页次数: "<<ChangeTimes<<endl;cout<<"缺页率: "<<ChangeTimes*100/N<<"%"<<endl;}void FIFO(){int i,j;bool find;int point;int temp; // 临时变量ChangeTimes = 0;for(j=0;j<M;j++)for(i=0;i<N;i++)DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false, 表示没有要显示的数据for(i=0;i<M;i++){count[i] = 0; // 大于等于BlockNum, 表示块中没有数据, 或需被替换掉// 所以经这样初始化（3 2 1）, 每次替换>=3的块, 替换后计数值置1,// 同时其它的块计数值加1 , 成了（1 3 2 ）, 见下面先进先出程序段}for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作{// 增加countfor(j=0;j<M;j++)count[j]++;find = false; // 表示块中有没有该数据for(j=0;j<M;j++){if( Block[j] == Data[i] ){find = true;}}if( find ) continue; // 块中有该数据, 判断下一个数据// 块中没有该数据ChangeTimes++; // 缺页次数++if( (i+1) > M ) // 因为i是从0开始记, 而M指的是个数, 从1开始, 所以i+1{//获得要替换的块指针temp = 0;for(j=0;j<M;j++){if( temp < count[j] ){temp = count[j];point = j; // 获得离的最远的指针}}}else point = i;// 替换Block[point] = Data[i];count[point] = 0; // 更新计数值// 保存要显示的数据for(j=0;j<M;j++){DataShow[j][i] = Block[j];DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据}}// 输出信息cout<< endl;cout<<"FIFO => "<< endl;DataOutput();}void Optimal(){int i,j,k;bool find;int point;int temp; // 临时变量, 比较离的最远的时候用ChangeTimes = 0;for(j=0;j<M;j++)for(i=0;i<N;i++)DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false, 表示没有要显示的数据// for(i=0;i<M;i++)// {// count[i] = 0 ; //// }for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作{find = false; // 表示块中有没有该数据for(j=0;j<M;j++){if( Block[j] == Data[i] )find = true;}if( find ) continue; // 块中有该数据, 判断下一个数据// 块中没有该数据, 最优算法ChangeTimes++; // 缺页次数++for(j=0;j<M;j++){// 找到下一个值的位置find = false;for( k =i;k<N;k++){if( Block[j] == Data[k] ){find = true;count[j] = k;break;}}if( !find ) count[j] = N;}if( (i+1) > M ) // 因为i是从0开始记, 而BlockNum指的是个数, 从1开始, 所以i+1{//获得要替换的块指针temp = 0;for(j=0;j<M;j++){if( temp < count[j] ){temp = count[j];point = j; // 获得离的最远的指针}}}else point = i;// 替换Block[point] = Data[i];// 保存要显示的数据for(j=0;j<M;j++){DataShow[j][i] = Block[j];DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据}}// 输出信息cout<< endl;cout<<"Optimal => "<< endl;DataOutput();}void LRU(){int i,j;bool find;int point;int temp; // 临时变量ChangeTimes = 0;for(j=0;j<M;j++)for(i=0;i<N;i++)DataShowEnable[j][i] = false; // 初始化为false, 表示没有要显示的数据for(i=0;i<M;i++){count[i] = 0 ;}for(i=0;i<N;i++) // 对有所数据操作{// 增加countfor(j=0;j<M;j++)count[j]++;find = false; // 表示块中有没有该数据for(j=0;j<M;j++){if( Block[j] == Data[i] ){count[j] = 0;find = true;}}if( find ) continue; // 块中有该数据, 判断下一个数据// 块中没有该数据ChangeTimes++; // 缺页次数++if( (i+1) > M ) // 因为i是从0开始记, 而BlockNum指的是个数, 从1开始, 所以i+1{//获得要替换的块指针temp = 0;for(j=0;j<M;j++){if( temp < count[j] ){temp = count[j];point = j; // 获得离的最远的指针}}}else point = i;// 替换Block[point] = Data[i];count[point] = 0;// 保存要显示的数据for(j=0;j<M;j++){DataShow[j][i] = Block[j];DataShowEnable[i<M?(j<=i?j:i):j][i] = true; // 设置显示数据}}// 输出信息cout<< endl;cout<<"LRU => "<< endl;DataOutput();}【效果截图】以作业为测试数据:。

操作系统之页⾯置换算法（最佳置换OPT，先进先出FIFO，最近最久未使⽤LRU）最近学习操作系统时，实验要求实现常见的三种页⾯置换算法，博主按照书上要求试着编写，实现了案例，并记录在博客随记中，以便后续⾃⼰复习并也给需要的同学分享参考⼀下!⽔平有限，若有错，请悄悄告诉博主！博主好⽴即改正。

最佳置换算法（optimal replacement，OPT）是从内存中选择今后不再访问的页⾯或者在最长⼀段时间后才需要访问的页⾯进⾏淘汰。

如下例⼦：根据页⾯⾛向依次处理，得到最终的置换结果如下图表，整个页⾯缺页次数为7，缺页率为7/12=58%。

1 #include <iostream>2 #include <stdio.h>3 #include <stdlib.h>4#define N 125#define B 36using namespace std;78int pageArr[N]={1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5};//页⾯⾛向9int block[B]={0};//物理块3个，其数值是页号10 typedef struct FLAG {11int flags[B];12int counts;13 } FLAG;1415void opt(int pageArr[],int block[]);16int inBlock(int which);17int findFar(int next);18void Replace(int index,int value);19void disPlay();2021int main(void){22 cout << "begin:" <<endl;23 opt(pageArr,block);24 cout << "end!" <<endl;25return0;26 }2728void opt(int pageArr[],int block[]){29int getIndex;30for(int i=0;i<N;i++){31if(i<3){//前3页号#短缺#进队列32 block[i]=pageArr[i];33 printf("缺页：(null)-->%d\n",pageArr[i]);34 }35else {36if(i==3){37 disPlay();3839 }40if(inBlock(pageArr[i])!=-1){//下⼀个页⾯if在物理块中返回index并跳过,反-141 disPlay();4243continue;44 }45 getIndex=findFar(i+1);//从下⼀个页号，找到最远出现的页⾯,替换的下标46if(getIndex==-1){47 cout<<"error,not replace obj!"<<'\t';48 }49else{50 Replace(getIndex,pageArr[i]);//由下标找到上⼀组替换⽬标，⽤第⼆参数替换51 disPlay();5253 }54 }55 }56return;57 }5859//替换block中的物理块60void Replace(int index,int value){61 printf("缺页：%d--被替换为-->%d\n",block[index],value);62 block[index]=value;63return;64 }656667//找到最远出现的页⾯68int findFar(int next){69int index=-1;//error，默认返回不存在的索引70 FLAG myflag;71 myflag.flags[0]=0;72 myflag.flags[1]=0;73 myflag.flags[2]=0;74 myflag.counts=0;75int stop = N-next;76while(stop--){77 index=inBlock(pageArr[next++]);78if(index!=-1){79 myflag.flags[index]=1;80 myflag.counts++;83break;84 }85 }86for(index=0;index<B;index++){87if(myflag.flags[index]==0)88break;89 }90return index;91 }929394//下⼀个页⾯if在物理块中返回index,反-195int inBlock(int which){96//int i=0;97//while(i<B)98// if(block[i++]==which)99// return i-1;100for(int i=0;i<B;i++){101if(block[i]==which)102return i;103 }104return -1;105 }106107//打印⼀元组108void disPlay(){109int i=0;110while(i<B){111 printf("%d\t",block[i++]);112 }113 printf("\n");114return;115 }上⾯是博主使⽤C++（基本是C语法）编写的代码，运⾏结果如下：//////////////////////////////////////////////////////////////////////////begin:缺页：(null)-->1缺页：(null)-->2缺页：(null)-->31 2 3缺页：3--被替换为-->41 2 41 2 41 2 4缺页：4--被替换为-->51 2 51 2 51 2 5缺页：1--被替换为-->33 2 5缺页：3--被替换为-->44 2 54 2 5end!//////////////////////////////////////////////////////////////////////////先进先出算法：先进先出置换算法（first in first out,FIFO）是淘汰最先进⼊内存的页⾯，即选择在内存中驻留时间最长的页⾯进⾏淘汰的算法。