页式虚拟存储管理FIFO、LRU和OPT页面置换算法

页式管理OPT、LRU、FIFO置换算法详解指令：1,2,3,4,2,1,5,6,2,1,2,3,7,6,3,2,1,2,3,6若内存最多容纳4个页面，则……一、OPT（理想型淘汰）算法该算法无法实现。

置换规则：（1）淘汰内存中以后不再访问的页面；（2）如果没有（1），则淘汰将要访问指令之后的将来最迟被访问的指令的页面。

分析：（1）当访问5时，内存1,2,3,4,发生第5次中断，淘汰不再访问的4，换入5，内存1,2,3,5；（2）当访问6时，内存1,2,3,5,发生第6次中断，淘汰不再访问的5，换入6，内存1,2,3,6；（3）当访问7时，内存1,2,3,6,发生第7次中断，由于之后的指令（1、2、3、6）都是现在内存页面都存在的指令，无法淘汰，但可以根据指令访问顺序，先淘汰将来最迟被访问的1，换入7，置换后的内存7,2,3,6；（4）当访问1时，内存7,2,3,6,发生第8次中断，淘汰不再访问的7，换入1，内存1,2,3,6；即OPT算法一共会出现8次缺页中断。

二、LRU（最近最久未使用）算法该算法利用堆栈实现，每次访问都调整堆栈中页面顺序。

把被访问页面从栈移出再压入栈顶。

置换规则：（1）栈顶始终为最新访问过的页面；（2）栈底始终为最近最久未被访问的页面；（3）访问存在的页面要调到栈顶。

分析：（1）访问第5个指令2时，由于内存页面中已经存在2，所以不置换，但调整2在栈中顺序，即将2调到栈顶，其它页面依次后置。

调整前内存4,3,2,1,调整后内存2,4,3,1；（2）访问第7个指令5时，发生第5次中断，原内存1,2,4,3,淘汰栈底3，栈顶调入5，调整后内存5,1,2,4；（3）访问第8个指令6时，发生第6次中断，原内存5,1,2,4,，淘汰栈底4，栈顶调入6，调整后内存6,5,1,2；……即LRU算法一共会出现10次缺页中断。

三、FIFO（先进先出）算法该算法利用队列实现。

FIFO与LRU的区别是FIFO遇到内存中存在的页面不需要调换页面顺序。

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。

常见的页面置换电梯算法
电梯算法是一种常用于操作系统中的页面置换算法，它可以有效地管理计算机内存，保证系统的稳定性和高效性。

在电梯算法中，页面在内存中的位置类似于电梯中的乘客在不同楼层中的位置，根据页面使用的频率和优先级，系统可以将页面从内存中置换出来，从而为新的页面腾出空间。

常见的页面置换策略包括FIFO（先进先出）、LRU（最近最少使用）、LFU（最不经常使用）、Clock（时钟置换）、OPT（最优置换）等。

其中，FIFO算法是最简单的页面置换算法，它按照页面进入内存的顺序将最先进入内存的页面置换出去；LRU算法则是根据页面最近的访问时间来判断哪些页面最有可能被再次使用，将最近最少使用的页面置换出去。

LFU算法则是根据页面使用的频率来进行置换，频率最低的页面被置换出去；Clock算法则是将内存中的页面放置在一个环中，每个页面有一个使用位，如果页面被访问，则把使用位设置为1，如果页面没有被访问，则使用位为0。

每次置换页面时，找到第一个使用位为0的页面进行置换。

最优置换算法则是根据未来的访问情况来预测哪些页面可能会被再次访问，将最长时间内不会被访问的页面置换出去。

虽然最优置换算法可以保证系统的最佳性能，但是它需要对未来的访问情况进行预测，因此在实际应用中难以实现。

总之，不同的页面置换算法都有其优缺点，需要根据具体应用场
景进行选择。

在操作系统中，通常会采用多种页面置换策略相结合的方式来管理内存，以达到最优的系统性能和稳定性。

概述fifo,opt,lru算法一、算法简介FIFO（FirstInFirstOut，先进先出）、OPT（OptimalPageReplacement）和LRU（LeastRecentlyUsed）算法是三种常见的页面替换算法，用于计算机中的虚拟内存管理。

这些算法在处理内存中数据块的替换时，需要考虑内存的容量、程序的需求以及数据的历史访问情况等因素。

二、算法原理1.FIFO算法：此算法将页面按照进入的顺序依次存放在内存中。

当有新的页面需要被加载时，如果内存中没有该页面，就需要从磁盘上加载。

当所有的页面都按照进入的顺序被加载完毕后，再按照同样的顺序将页面从内存中逐出，以腾出空间存放新的页面。

这种算法简单易行，但过于依赖页面的进入顺序，如果页面进入的顺序不合理，可能会导致频繁的页面替换。

2.OPT算法：此算法在每次需要加载新页面时，会根据一些准则（如最大错误率、最小错误率、最坏情况等）选择一个最优的页面进行替换。

相比于FIFO算法，OPT算法能更好地适应不同的页面访问情况，从而减少页面的替换频率。

然而，由于需要考虑到各种复杂的因素，OPT算法的实现难度相对较高。

3.LRU算法：此算法将最近最少使用的页面替换出内存，以腾出空间存放新的页面。

当有新的页面需要被加载时，如果内存中没有该页面，就需要从磁盘上加载。

而在加载完成后，会将该页面标记为最近最少使用的状态。

这种算法能够有效地提高内存的使用效率，减少页面的替换次数。

三、应用场景这三种算法在许多实际应用场景中都有应用，如操作系统中的虚拟内存管理、缓存系统等。

不同的应用场景可能需要不同的算法来满足特定的需求，如对于需要频繁访问的页面，可能更适合使用LRU算法；而对于访问模式较为固定的场景，可能更适合使用OPT算法。

四、总结FIFO、OPT和LRU算法是虚拟内存管理中常用的页面替换算法，它们各自具有不同的原理和应用场景。

在实际应用中，需要根据具体的需求和场景选择合适的算法，以实现最优的内存管理效果。

武汉轻工大学数学与计算机学院《操作系统》课程设计说明书题目：页式虚拟存储管理页面置换算法专业：班级：学号：姓名：指导老师：2015年5月26日目录一、设计目的二、设计内容三、基本原理和解决方案四、实验内容五、流程图六、源代码七、运行结果八、实验总结（心得体会）一、设计目的通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟程序，了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式存储管理的页面置换算法。

二、设计内容阅读教材《计算机操作系统》第四章，掌握存储器管理相关概念和原理。

模拟实现页式虚拟存储管理的三种页面置换算法（OPT、FIFO和LRU），并通过比较性能得出结论。

前提：（1）页面分配采用固定分配局部置换。

（2）作业的页面走向和分得的物理块数预先指定。

可以从键盘输入也可以从文件读入。

（3）置换算法的置换过程输出可以在显示器上也可以存放在文件中，但必须清晰可读，便于检验。

三、基本原理和解决方案存储管理是操作系统进行资源管理的一个重要功能。

现代操作系统广泛采用虚拟存储的技术对内存进行扩充。

实现虚拟存储的一个主要技术手段就是将辅存和主存统一管理，在二者之间进行对换，从而形成物理上两级而逻辑上一级的存储管理系统。

一个置换算法的好坏对这个逻辑上的单级虚存的性能起着极其重要的作用，而且会影响处理机的调度性能。

对于本任务规定的前提：页面分配采用固定分配局部置换，则置换发生的时机是作业已经将操作系统分配的固定数目的物理块全部用完且发生缺页的时候。

此时必须要将已经装入内存的部分逻辑页面换出以便将所缺的页面调入内存。

置换算法就是一个决定将内存中“哪一个”页面换出的算法。

四、实验内容1.通过随机数产生一个指令序列，共320条指令，指令的地址按下述原则生产：50％的指令是顺序执行的；25％的指令是均匀分布在前地址部分；25％的指令是均匀分布在后地址部分。

2.将指令序列变换成为页地址流设页面大小为1K；用户内存容量为4页到32页；用户虚存容量为32K。

操作系统之FIFO、LRU、OPT模拟实现1.FIFO算法#include<stdio.h>int main(int argc, char *argv[]){int i,j,k,k2,t;int n1; //memory page numberint n2; //requested page numberint pageseq[100]; //access page sequenceint mempages[10][2]; //memory pages//mempages[i][0] is page NO, mempages[i][1] is loading sequence No.int n3; //number of loaded pages in memoryint n4; //missing pages countint replacedPage;//Input dataprintf("Input memory page number for each process:");scanf("%d",&n1);if(n1<1){printf("Memory page number error!\n");return 1;}printf("Now, Input page access sequence.\n");printf("Input requested page number firstly:");scanf("%d",&n2);printf("%d pages are waiting for access.\n",n2);for(i=0 ;i<n2; i++){printf("%d-th page is:",i+1);scanf("%d",&t);pageseq[i] = t;}//FIFOn3 = 0;//number of loaded pages in memoryn4 = 0;//missing page count//replace pagesfor(i = 0; i<n2; i++){for(j = 0 ;j<n3; j++){if(mempages[j][0] == pageseq[i]) //page is in memorybreak;}if(j == n3 && n3 < n1) //not found in memory,but there are empty memory pages{mempages[n3][0] = pageseq[i];mempages[n3][1] = i+1;n3++;n4++;}else if(j == n3) //page is not in memory,pick up one for replacement{//find the page with minimal loading sequence No.int minv;minv = mempages[0][1];k2 = 0;for(k=1; k<n3; k++){if(minv > mempages[k][1]){k2 = k;minv = mempages[k][1];}}//replace mempages[k2][0] by pageseq[i]replacedPage = mempages[k2][0];mempages[k2][0] = pageseq[i];mempages[k2][1] = i+1;n4++; //missing page countingprintf("page %d in, page %d out. %d-th missing page.\n",pageseq[i],replacedPage,n4);}else{//page is in memoryprintf("page %d is in memory.\n",pageseq[i]);}}printf("Totally %d missing pages!\n",n4);return 0;}2.LRU#include<stdio.h>int main(int argc, char *argv[]){int i,j,k,k2,t;int n1; //memory page numberint n2; //requested page numberint pageseq[100]; //access page sequenceint mempages[10][2]; //memory pages//mempages[i][0] is page NO, mempages[i][1] is loading sequence No.int n3; //number of loaded pages in memoryint n4; //missing pages countint replacedPage;//Input dataprintf("Input memory page number for each process:");scanf("%d",&n1);if(n1<1){printf("Memory page number error!\n");return 1;}printf("Now, Input page access sequence.\n");printf("Input requested page number firstly:");scanf("%d",&n2);printf("%d pages are waiting for access.\n",n2);for(i=0 ;i<n2; i++){printf("%d-th page is:",i+1);scanf("%d",&t);pageseq[i] = t;}//LRUn3 = 0;//number of loaded pages in memoryn4 = 0;//missing page count//replace pagesfor(i = 0; i<n2; i++){for(j = 0 ;j<n3; j++){if(mempages[j][0] == pageseq[i]) //page is in memory{mempages[j][1]=i+1;break;}}if(j == n3 && n3 < n1) //not found in memory,but there are empty memory pages{mempages[n3][0] = pageseq[i];mempages[n3][1] = i+1;n3++;n4++;}else if(j == n3) //page is not in memory,pick up one for replacement{//find the page with minimal loading sequence No.int minv;minv = mempages[0][1];k2 = 0;for(k=1; k<n3; k++){if(minv > mempages[k][1]){k2 = k;minv = mempages[k][1];}}//replace mempages[k2][0] by pageseq[i]replacedPage = mempages[k2][0];mempages[k2][0] = pageseq[i];mempages[k2][1] = i+1;n4++; //missing page countingprintf("page %d in, page %d out. %d-th missing page.\n",pageseq[i],replacedPage,n4);}else{//page is in memoryprintf("page %d is in memory.\n",pageseq[i]);}}printf("Totally %d missing pages!\n",n4);return 0;}3.OPT#include<stdio.h>int main(int argc, char *argv[]){int i,j,k,k2,t;int n1; //memory page numberint n2; //requested page numberint pageseq[100]; //access page sequenceint mempages[10][2]; //memory pages//mempages[i][0] is page NO, mempages[i][1] is loading sequence No.int n3; //number of loaded pages in memoryint n4; //missing pages countint replacedPage;//Input dataprintf("Input memory page number for each process:");scanf("%d",&n1);if(n1<1){printf("Memory page number error!\n");return 1;}printf("Now, Input page access sequence.\n");printf("Input requested page number firstly:");scanf("%d",&n2);printf("%d pages are waiting for access.\n",n2);for(i=0 ;i<n2; i++){printf("%d-th page is:",i+1);scanf("%d",&t);pageseq[i] = t;}//FIFOn3 = 0;//number of loaded pages in memoryn4 = 0;//missing page count//replace pagesfor(i = 0; i < n2; i++){for(j = 0 ;j < n3; j++){if(mempages[j][0] == pageseq[i]) //page is in memorybreak;}if(j == n3 && n3 < n1) //not found in memory,but there are empty memory pages{mempages[n3][0] = pageseq[i];mempages[n3][1] = i+1;n3++;n4++;}else if(j == n3) //page is not in memory,pick up one for replacement{//find the page with minimal loading sequence No.int max;int t;for(j = 0 ;j < n3; j++){for( t = i+1; t < n2; t++){if( mempages[j][0] == pageseq[t] ){mempages[j][1] = t;break;}}if( t == n2 )mempages[j][1] = n2+1;}//int max;max = mempages[0][1];k2 = 0;for(k=1; k<n3; k++){if( mempages[k][1] > max ){k2 = k;max = mempages[k][1];}}//replace mempages[k2][0] by pageseq[i]replacedPage = mempages[k2][0];mempages[k2][0] = pageseq[i];//mempages[k2][1] = i+1;n4++; //missing page countingprintf("page %d in, page %d out. %d-th missing page.\n",pageseq[i],replacedPage,n4);}else{//page is in memoryprintf("page %d is in memory.\n",pageseq[i]);}}printf("Totally %d missing pages!\n",n4);return 0;}。

操作系统：Java实现页⾯置换算法（OPT,FIFO,LRU）前⾔代码有很多冗余，因为是写作业时写的，不过代码简单易懂，看看就可以改了。

置换算法介绍页⾯置换算法（也称为页⾯淘汰算法）是⽤来选择换出页⾯的算法。

在请求页式存储管理⽅式中，由于⼀个进程运⾏的时候不是所有的页⾯都在内存中，所以会出现缺页中断。

当缺页的时候内存没有空闲的物理块时就需要换出内存中的⼀页，具体换出哪⼀页⾯是由页⾯置换算法决定的，页⾯置换算法的优劣直接影响到系统的效率要注意把页⾯置换和连续分配⽅式中的交换区别开来，页⾯置换的单位是页⾯⽽不是整个进程，交换的单位是整个进程当发⽣缺页中断后，系统不⼀定会执⾏页⾯置换算法。

因为发⽣缺页中断仅仅说明需要执⾏的页⾯没有在内存中，如果内存空间中还有空闲块的话，只需要⽤缺页中断处理程序把需要的页⾯从外存调⼊内存即可。

不需要页⾯置换算法：只有内存中没有空闲块的时候才需要页⾯置换算法。

所以，缺页中断不⼀定导致执⾏页⾯置换算法。

1. 最佳置换算法（OPT）在预知⼀个进程的页⾯号引⽤串的情况下，每次都淘汰以后不再使⽤的或以后最迟再被使⽤的页⾯，这种算法就是最佳置换算法显然，最佳置换算法是最优的，具有最低的缺页率。

但由于实际操作中往往⽆法事先知道以后会引⽤到所有页⾯的信息，所以最佳置换算法⽆法实现，只能作为⼀个标准来衡量其他置换算法的优劣2. 先进先出算法（FIFO）FIFO算法是最简单的页⾯置换算法，每次总是淘汰最先进⼊内存的页⾯，也就是将在内存存驻留时间最长的页⾯淘汰掉该算法实现简单，⽤⼀个队列的数据结构就可以实现，将页⾯按照次序排成⼀个队列，并设置指针指向最先进⼊的页⾯，每次需要淘汰页⾯时，将指针所指的页⾯淘汰即可，不过FIFO算法可能会产⽣Belady⼀场（缺页次数随着分配的物理块号的增加⽽增加），⽽且由于FIFO算法与进程实际运⾏规律不符，可能会选择淘汰程序经常使⽤的界⾯，实际效果不好3. 最近最少使⽤算法（LRU）选择最近最久没有被使⽤的页⾯予以淘汰，其思想是⽤以前的页⾯引⽤情况来预测将来会出现页⾯引⽤情况，也就是假设⼀个页⾯刚被访问，那么不久该页⾯还会被访问。

页面置换算法实验报告实验心得
本次实验是关于页面置换算法的实验，页面置换算法是操作系统中一个非常重要的算法，用于管理内存中的页面。

在本次实验中，我们学习了三种页面置换算法：FIFO、LRU和OPT。

FIFO算法是最简单的页面置换算法，它按照页面进入内存的顺序来选择要被替换的页面。

但是FIFO算法存在一个问题，就是它无法考虑页面是否频繁使用，因此可能会大量使用不常用的页面，而且在内存不足时，会频繁地将常用的页面替换出去。

LRU算法是一种比较高效的页面置换算法，它按照页面最近的使用时间来选择要被替换的页面。

LRU算法考虑了页面的使用频率，能够保证常用的页面不会被替换出去，因此在内存不足时，LRU算法的性能比FIFO算法要好。

OPT算法是一种理论上最优的页面置换算法，它根据未来最长时间内不再使用的页面来选择要被替换的页面。

但是实际上，由于难以预测未来的页面使用情况，因此实际上很难实现OPT算法。

在实验中，我们使用了Python编程语言来模拟这三种页面置换算法，并对算法的性能进行了测试。

通过实验，我对页面置换算法有了更深入的了解，也提升了自己的编程能力。

实现虚拟存储器的常用算法
虚拟存储器是一种将磁盘作为辅助存储器的技术，可以将大于物理内存的程序部分放在磁盘上，以便于程序的运行。

虚拟存储器的实现需要使用一些算法来进行页面置换和页面分配，以下是常用的算法： 1. 最优页面置换算法（OPT）
最优页面置换算法是一种理论上最优的算法，它总是选择将距离下一次访问最远的页面置换出去。

但是，由于需要预测未来的访问情况，因此在实际应用中难以实现。

2. 先进先出页面置换算法（FIFO）
先进先出页面置换算法是一种较为简单的算法，它总是选择最早进入内存的页面进行置换。

但是，由于无法考虑页面的访问频率和重要性，因此可能会导致一些重要的页面被置换出去。

3. 最近最少使用页面置换算法（LRU）
最近最少使用页面置换算法是一种基于页面访问历史的算法，它总是选择最近最少被访问的页面进行置换。

这种算法可以较好地处理访问模式较为规律的程序。

4. 时钟页面置换算法（Clock）
时钟页面置换算法是一种基于页面访问历史和访问频率的算法，它通过在一个环形链表上维护页面的状态，根据页面的访问情况进行页面置换。

这种算法可以较好地处理访问模式较为随机的程序。

以上是实现虚拟存储器时常用的算法，不同的算法适用于不同的程序和系统环境。

在实际应用中，需要根据实际情况选择合适的算法
进行页面置换和分配，以提高系统的性能和效率。

操作系统实验(四)实验报告--虚拟内存操作系统实验（四）虚拟内存1、实验题目页面置换算法模拟——OPT、FIFO和LRU算法2、实验目的了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式存储管理的页面置换算法，如最佳（Optimal）置换算法、先进先出（Fisrt In First Out）置换算法和最近最久未使用（Least Recently Used）置换算法3、实验内容1）OPT算法：需要发生页面置换时，算法总是选择在将来最不可能访问的页面进行置换。

2）FIFO算法：算法总是选择在队列中等待时间最长的页面进行置换。

3）LRU算法：如果某一个页面被访问了，它很可能还要被访问；相反，如果它长时间不被访问，那么，在最近未来是不大可能被访问的。

4、程序代码#include<iostream>#include <cstdlib>#include <time.h>#include <cstdio>#define L 30///页面走向长度最大为30using namespace std;int M=4; ///内存块struct P///定义一个结构体{int num,time;}p[30];int Input(int m,P p[L])///打印页面走向状态{m=30;int i,j;j=time(NULL);///取时钟时间srand(j);///以时钟时间x为种子，初始化随机数发生器cout<<"页面走向: ";for(i=0; i<m; i++){p[i].num=rand( )%10;///产生1到10之间的随即数放到数组p中p[i].time=0;cout<<p[i].num<<" ";}cout<<endl;return m;}void print(P *page1)///打印当前的页面{P *page=new P[M];page=page1;for(int i=0; i<M; i++)cout<<page[i].num<<" ";cout<<endl;}int Search(int e,P *page1 )///寻找内存块中与e相同的块号{P *page=new P[M];page=page1;for(int i=0; i<M; i++)if(e==page[i].num)return i; ///返回i值return -1;}int Max(P *page1)///寻找最近最长未使用的页面用于OPT算法{P *page=new P[M];page=page1;int e=page[0].time,i=0;while(i<M) ///找出离现在时间最长的页面{if(e<page[i].time) e=page[i].time;i++;}for( i=0; i<M; i++)if(e==page[i].time)return i; ///找到离现在时间最长的页面返回其块号return -1;}int Count(P *page1,int i,int t,P p[L])///记录当前内存块中页面离下次使用间隔长度用于OPT算法{P *page=new P[M];page=page1;int count=0;for(int j=i; j<L; j++){if(page[t].num==p[j].num )break;///当前页面再次被访问时循环结束else count++;///否则count+1}return count;///返回count的值}int main(){int c=1;int m=0,t=0;float n=0;///缺页次数m=Input(m,p);///调用input函数，返回m值M=4;P *page=new P[M];///dowhile(c==1||c==2||c==3){int i=0;for(i=0; i<M; i++) ///初试化页面基本情况{page[i].num=0;page[i].time=m-1-i;}cout<<"1:FIFO页面置换"<<endl;cout<<"2:LRU页面置换"<<endl;cout<<"3:OPT页面置换"<<endl;cout<<"按其它键结束程序；"<<endl;cin>>c;if(c==1)///FIFO页面置换///FIFO();{n=0;cout<<" FIFO算法页面置换情况如下: "<<endl;cout<<endl;while(i<m){if(Search(p[i].num,page)>=0) ///当前页面在内存中{cout<<p[i].num<<" "; ///输出当前页p[i].numcout<<" "<<endl;i++; ///i加1}else ///当前页不在内存中{if(t==M)t=0;else{n++; ///缺页次数加1page[t].num=p[i].num; ///把当前页面放入内存中cout<<p[i].num<<" ";print(page); ///打印当前页面t++; //下一个内存块i++; ///指向下一个页面}}}cout<<"缺页次数："<<n<<" 缺页率："<<n<<"/"<<m<<" ="<<n/m<<endl;}if(c==2)///LRU页面置换,最近最久未使用{n=0;cout<<" LRU算法页面置换情况如下: "<<endl;cout<<endl;while(i<m){int a;t=Search(p[i].num,page);if(t>=0)///如果已在内存块中{page[t].time=0;///把与它相同的内存块的时间置0for(a=0; a<M; a++)if(a!=t)page[a].time++;///其它的时间加1cout<<p[i].num<<" ";cout<<"不缺页"<<endl;}else ///如果不在内存块中{n++; ///缺页次数加1t=Max(page); ///返回最近最久未使用的块号赋值给tpage[t].num=p[i].num; ///进行替换page[t].time=0; ///替换后时间置为0cout<<p[i].num<<" ";print(page);for(a=0; a<M; a++)if(a!=t)page[a].time++; ///其它的时间加1}i++;}cout<<"缺页次数："<<n<<" 缺页率："<<n<<"/"<<m<<" = "<<n/m<<endl;}if(c==3)///OPT页面置换{n=0;cout<<" OPT算法置换情况如下:"<<endl;cout<<endl;while(i<m){if(Search(p[i].num,page)>=0)///如果已在内存块中{cout<<p[i].num<<" ";cout<<" "<<endl;i++;}else///如果不在内存块中{int a=0;for(t=0; t<M; t++)if(page[t].num==0)a++;///记录空的内存块数if(a!=0) ///有空内存块{int q=M;for(t=0; t<M; t++)if(page[t].num==0&&q>t)q=t;///把空内存块中块号最小的找出来page[q].num=p[i].num;///把缺页换过来n++; ///缺页次数加一cout<<p[i].num<<" ";print(page);i++;}else{int temp=0,s;for(t=0; t<M; t++) ///寻找内存块中下次使用离现在最久的页面if(temp<Count(page,i,t,p)){temp=Count(page,i,t,p);s=t;}///把找到的块号赋给spage[s].num=p[i].num;n++;cout<<p[i].num<<" ";print(page);i++;}}}cout<<"缺页次数："<<n<<" 缺页率："<<n<<"/"<<m<<" = "<<n/m<<endl;}}///while(c==1||c==2||c==3);return 0;}5、心得体会通过该实验，是我对虚拟内存更加了解，对最佳置换算法、先进先出算法、最近最久算法更加了解。

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。

页面置换算法实验总结
在操作系统中，页面置换算法是为了解决内存不足的问题，当内存中的页面不足时，需要选择一些页面进行置换，将其换出到磁盘上，从而为新的页面腾出空间。

在本次实验中，我实现了三种页面置换算法，分别是FIFO（先进先出）、LRU（最近最少使用）和OPT（最佳置换）。

下面是对这三种算法的总结：
1. FIFO算法：FIFO算法是最简单的页面置换算法，它按照页面进入内存的顺序进行置换。

实验结果显示，FIFO算法在某些情况下可能会导致“抖动”现象，即不断发生页面置换，性能较差。

2. LRU算法：LRU算法是根据页面的使用历史进行置换，将最长时间没有被使用的页面置换出去。

实验结果显示，LRU算法相比于FIFO算法在减少页面抖动方面表现更好，但是实现起来较为复杂，需要维护一个访问历史记录的数据结构。

3. OPT算法：OPT算法是一种理想情况下的页面置换算法，它通过预测未来的页面访问情况来选择最佳的页面进行置换。

实验结果显示，OPT算法在减少页面抖动方面表现最好，但是实现起来较为困难，需要对未来的页面访问情况进行预测。

综上所述，不同的页面置换算法在不同的场景下有着不同的表现。

FIFO算法简单易实现，但性能较差；LRU算法在某些情况下能够较好地减少页面抖动；OPT算法在理论上是最佳的页面置换算法，但实现起来较为困难。

实际中的选择需要根据具体的应用场景
和系统需求来确定。

opt,fifo,lru算法例题置换次数以下是一个使用OPT、FIFO和LRU算法进行页面置换的例子：假设某程序的页面访问序列为1、2、3、4、5、2、3、1、2、3、4、5、1、2、3、4，并且开始执行时主存中没有页面，分配给该程序的物理块数是3。

1. 使用OPT（最佳置换算法）进行页面置换：第一次访问1，缺页，进入内存。

第二次访问2，缺页，进入内存。

第三次访问3，缺页，进入内存。

第四次访问4，缺页，进入内存。

第五次访问5，缺页，需要淘汰一个页面。

根据OPT算法，选择最长时间不会被访问的页面进行淘汰，即选择页面3进行淘汰。

第六次访问2，页面2在内存中，无需置换。

第七次访问3，页面3在内存中，无需置换。

第八次访问1，缺页，进入内存。

第九次访问2，页面2在内存中，无需置换。

第十次访问3，页面3在内存中，无需置换。

第十一次访问4，缺页，需要淘汰一个页面。

根据OPT算法，选择最长时间不会被访问的页面进行淘汰，即选择页面1进行淘汰。

第十二次访问5，缺页，需要淘汰一个页面。

根据OPT算法，选择最长时间不会被访问的页面进行淘汰，即选择页面4进行淘汰。

第十三次访问1，页面1在内存中，无需置换。

第十四次访问2，页面2在内存中，无需置换。

第十五次访问3，页面3在内存中，无需置换。

第十六次访问4，缺页，需要淘汰一个页面。

根据OPT算法，选择最长时间不会被访问的页面进行淘汰，即选择页面5进行淘汰。

总共进行了5次页面置换。

2. 使用FIFO（先进先出置换算法）进行页面置换：第一次访问1，缺页，进入内存。

第二次访问2，缺页，进入内存。

第三次访问3，缺页，进入内存。

第四次访问4，缺页，进入内存。

第五次访问5，缺页，需要淘汰一个页面。

根据FIFO算法，选择最早进入内存的页面进行淘汰，即选择页面3进行淘汰。

第六次访问2，页面2在内存中，无需置换。

第七次访问3，页面3在内存中，无需置换。

第八次访问1，缺页，进入内存。

第九次访问2，页面2在内存中，无需置换。

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。

目录1 需求分析 (2)1.1 目的和要求 (2)1.2 研究内容 (2)2 概要设计 (2)2．1 FIFO算法 (3)2．2 LRU算法 (3)2．3 OPT算法 (3)2．4 输入新的页面引用串 (3)3 详细设计 (4)3．1 FIFO（先进先出）页面置换算法： (4)3．2 LRU（最近最久未使用）置换算法： (4)3．3 OPT（最优页）置换算法 (4)4 测试 (5)5 运行结果 (5)6 课程设计总结 (10)7 参考文献 (10)8 附录：源程序清单 (11)1 需求分析1.1 目的和要求在熟练掌握计算机虚拟存储技术的原理的基础上，利用一种程序设计语言模拟实现几种置换算法，一方面加深对原理的理解，另一方面提高学生通过编程根据已有原理解决实际问题的能力，为学生将来进行系统软件开发和针对实际问题提出高效的软件解决方案打下基础。

1.2 研究内容模拟实现页式虚拟存储管理的三种页面置换算法（FIFO(先进先出)、LRU（最近最久未使用）和OPT（最长时间不使用）），并通过比较性能得出结论。

前提：（1）页面分配采用固定分配局部置换。

（2）作业的页面走向和分得的物理块数预先指定。

可以从键盘输入也可以从文件读入。

（3）置换算法的置换过程输出可以在显示器上也可以存放在文件中，但必须清晰可读，便于检验。

2 概要设计本程序主要划分为4个功能模块，分别是应用FIFO算法、应用LRU算法、应用OPT算法和页面引用串的插入。

1.1各模块之间的结构图2．1 FIFO 算法该模块的主要功能是对相应页面引用串进行处理，输出经过FIFO 算法处理之后的结果。

2．2 LRU 算法该模块的主要功功能是对相应的页面引用串进行处理，输出经过LRU 算法处理之后的结果。

2．3 OPT 算法该模块的主要功功能是对相应的页面引用串进行处理，输出经过OPT 算法处理之后的结果。

2．4 输入新的页面引用串该模块的主要功能是用户自己输入新的页面引用串，系统默认的字符串是0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0，用户可以自定义全新的20个数字页面引用串。