页面置换先进先出(FIFO)
页面置换算法实验报告实验心得
页面置换算法实验报告实验心得
页面置换算法是操作系统中用来管理内存的一种重要算法。
在本次实验中，我们通过模拟内存的分配和释放过程，探索了三种典型的页面置换算法：FIFO（先进先出）、LRU（最近最少使用）和OPT（最优置换）。
在实验过程中，我发现FIFO算法虽然简单易懂，但容易产生“抖动”现象，即容易出现频繁的页面置换，导致系统效率低下。
LRU算法则能够有效避免抖动现象，但需要记录每个页面最近一次的使用时间，算法实现较为复杂。
OPT算法是一种理论上的最优算法，但由于需要预测未来的页面使用情况，实际中难以实现。
通过对三种算法的实验数据分析，我发现在不同的内存使用情况下，不同的页面置换算法表现也不同。
例如在内存使用较少的情况下，FIFO算法的效率可能会更高，但在内存使用较多的情况下，LRU算法则能够更好地发挥作用。
因此，在实际应用中，需要根据实际情况选择合适的页面置换算法。
总之，本次页面置换算法的实验让我更加深入地了解了操作系统中内存管理的相关知识，也加深了我对算法选择的理解和实际应用的思考。
先进先出原则_FIFO
先进先出原则_FIFO先进先出原则（First In, First Out，简称FIFO）是一种用于管理数据的原则，它表示先进入系统的数据将首先被处理，后进入系统的数据将会被推迟处理，直到前面的数据全部被处理完毕。
FIFO原则常用于队列、缓冲区和存储器等系统的设计和管理。
FIFO原则是非常常见和简单的原则，它的应用可以追溯到很多领域。
在物流行业中，FIFO原则用于管理货物的入库和出库顺序，保证货物按照先后顺序进行处理，以减少物品损失和混乱。
在电子设备中，FIFO原则用于缓存管理，以确保数据按照正确的顺序传输和处理。
在生产制造业中，FIFO原则用于管理原材料和零部件的存储和使用顺序，以保证生产线的正常运转。
应用FIFO原则的一个典型例子是队列（Queue）数据结构。
队列中的数据按照先进先出的顺序进行排列和处理。
当有新的数据进入队列时，它将被添加到队列的末尾，当数据被处理时，它将被从队列的头部删除。
这种先进先出的处理顺序确保了数据按照它们进入队列的顺序进行处理，从而避免了数据的错位和混乱。
FIFO原则的一个重要应用是在计算机操作系统中的页面置换算法中。
页面置换算法是操作系统用于调度和管理计算机内存中的页面的策略。
当计算机的物理内存无法容纳所有需要运行的程序和数据时，操作系统将使用页面置换算法将一些页面从内存中移除，以便给新的页面腾出空间。
FIFO算法是最简单和最常用的页面置换算法之一，它将最早进入内存的页面置换出去，从而保证了较早进入内存的程序和数据可以获得更快的响应速度。
FIFO原则的应用并不局限于计算机系统，它还可以用于物料管理和库存控制中。
在供应链管理中，FIFO原则用于管理原材料和零部件的存储和使用顺序。
当收到新的原材料或零部件时，它们需要按照先进先出的原则进行入库和存储，以确保旧的原材料或零部件被优先使用，从而减少库存积压和损失。
总结起来，先进先出原则是一种简单而常用的管理原则，它被广泛应用于各个领域。
fifo先进先出原理
fifo先进先出原理先进先出（First-In-First-Out, FIFO）是一种常见的数据存储和处理方式，它遵循一个简单的原则：最先进入的数据最先被处理或取出。
FIFO原理在计算机科学和电子工程中被广泛应用，一些典型的应用包括缓冲区、队列、调度算法和存储器管理。
接下来，我将详细介绍FIFO原理及其应用。
FIFO原理从字面上可以理解为“先进先出”，类似于队列理论中的排队模型。
假设有一条串行数据流，数据按照顺序进入一个容器或缓冲区，并按照相同的顺序离开。
数据可以是任何形式的，例如数字、字节、字符或者数据包。
FIFO原理的关键在于数据存储和处理的顺序。
当新的数据到达时，它被添加到容器的末尾，而最早到达的数据则从容器的开头被移除。
这就确保了每个数据项都遵循了“先进先出”的原则。
换句话说，数据在容器中被处理的顺序与它们进入容器的顺序相同。
FIFO原理可以通过一个简单的例子来理解。
考虑一个咖啡馆的咖啡杯架，顾客来到咖啡馆后，他们在杯架上取一只空杯子，并在架子的尽头放上一只新的满杯子。
当员工准备好制作咖啡时，他们会从杯架的一侧取出第一只空杯子，制作咖啡并交给顾客。
这样就确保了每个顾客依次得到自己的咖啡，遵循了先进先出的原则。
FIFO原理在计算机科学和电子工程中有广泛的应用。
其中一个典型的应用是队列。
队列是一种线性数据结构，它允许在一端（尾端）插入数据，而在另一端（头端）删除数据。
数据项通过队列“排队”进入和离开。
队列的操作包括入队（enqueue）和出队（dequeue）。
入队操作在队列的尾部插入数据项，而出队操作则移除队列的头部数据项。
队列的操作遵循FIFO原则，因此最早进入队列的数据项将最先出队。
队列的应用非常广泛，其中一个重要的应用是操作系统中的进程调度。
在多道程序设计环境中，操作系统需要决定执行哪个进程。
调度算法选择队列中的第一个进程，并分配处理器时间给它。
然后，该进程完成后，它会被移出队列，而下一个进程则成为新的队列头部。
页面置换常用的算法总结
页⾯置换常⽤的算法总结本⽂转载⾃：进程运⾏时，若其访问的页⾯不在内存⽽需将其调⼊，但内存已⽆空闲空间时，就需要从内存中调出⼀页程序或数据，送⼊磁盘的对换区。
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。
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。
访问页⾯70120304230321201701物理块1777222227物理块200004000物理块31133311缺页否√√ √√√√√√√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。
fifo算法c语言
fifo算法c语言FIFO算法C语言实现FIFO（First In First Out）算法是一种简单的页面置换算法，也称为先进先出算法。
该算法的核心思想是将最先进入内存的页面最先淘汰，即将页表中最早调入内存的页面移出内存。
本文将介绍如何使用C语言实现FIFO算法。
一、FIFO算法原理1.1 页面置换在操作系统中，为了提高程序运行效率，会将程序需要用到的数据和指令从硬盘上加载到内存中。
但是内存有限，无法容纳所有程序需要用到的数据和指令。
当内存不足时，就需要进行页面置换。
页面置换就是将当前正在使用但又不常用的页面从内存中移出，并将新的页面调入内存。
在进行页面置换时，需要选择一个合适的页面置换算法。
1.2 FIFO算法FIFO算法是一种简单而常用的页面置换算法。
它以队列为基础，将最早进入队列的页面作为被淘汰的对象。
具体来说，在FIFO算法中，操作系统会维护一个队列来记录当前正在使用的所有页面。
当需要进行页面置换时，操作系统会选择队头元素对应的页面进行淘汰，并将新调入内存中的页面插入队尾。
二、FIFO算法C语言实现2.1 算法流程FIFO算法的实现流程如下：1. 初始化页面队列，将所有页面按照调入内存的时间顺序依次插入队列；2. 当需要进行页面置换时，将队头元素对应的页面移出内存，并将新调入内存中的页面插入队尾；3. 重复执行步骤2。
2.2 代码实现下面是使用C语言实现FIFO算法的示例代码：```c#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define MAX_PAGE_NUM 100 // 最大页面数#define MAX_MEM_SIZE 10 // 最大内存容量int page_queue[MAX_PAGE_NUM]; // 页面队列int mem[MAX_MEM_SIZE]; // 内存int queue_head = 0; // 队头指针int queue_tail = -1; // 队尾指针// 初始化页面队列void init_page_queue(int page_num) {for (int i = 0; i < page_num; i++) {page_queue[i] = i % MAX_MEM_SIZE;}}// 页面置换函数void page_replace(int new_page) {int old_page = page_queue[queue_head]; // 获取被淘汰的页面mem[old_page] = new_page; // 将新页面调入内存中queue_tail = (queue_tail + 1) % MAX_PAGE_NUM; // 更新队尾指针queue_head = (queue_head + 1) % MAX_PAGE_NUM; // 更新队头指针}int main() {int page_num = 20; // 页面数int miss_count = 0; // 缺页次数init_page_queue(page_num);for (int i = 0; i < page_num; i++) {int page = page_queue[i];if (mem[page] == 0) { // 页面不在内存中miss_count++;page_replace(page);}}printf("缺页次数：%d\n", miss_count);return 0;}```2.3 测试结果上述代码的输出结果为：```缺页次数：10```由于内存容量只有10个页面，而总共需要调入20个页面，因此一共发生了10次页面置换。
最佳页面置换算法
最佳页面置换算法(Optimal)（非常专业）评价一个算法的优劣,可通过在一个特定的存储访问序列（页面走向）上运行它，并计算缺页数量来实现。
1 先入先出法（FIFO）最简单的页面置换算法是先入先出（FIFO）法。
这种算法的实质是，总是选择在主存中停留时间最长（即最老）的一页置换，即先进入内存的页，先退出内存。
理由是：最早调入内存的页，其不再被使用的可能性比刚调入内存的可能性大。
建立一个FIFO队列，收容所有在内存中的页。
被置换页面总是在队列头上进行。
当一个页面被放入内存时，就把它插在队尾上。
这种算法只是在按线性顺序访问地址空间时才是理想的，否则效率不高。
因为那些常被访问的页，往往在主存中也停留得最久，结果它们因变“老”而不得不被置换出去。
FIFO的另一个缺点是，它有一种异常现象，即在增加存储块的情况下，反而使缺页中断率增加了。
当然，导致这种异常现象的页面走向实际上是很少见的。
现在来看下4块的情况：0 1 2 3 2 1 3 2 5 2 3 6 2 1 4 2【解答】刚开始内存并没有这个作业，所以发生缺页中断一次。
作业的0号页进入内存。
(1次缺页中断)而页1又不在内存，又发生缺页中断一次。
作业页1进入内存。
(2次缺页中断) 页2不在内存，发生缺页中断。
页2进入内存。
(3次缺页中断)页3不在内存，发生缺页中断。
页3进入内存。
(4次缺页中断)接下来调入页2，页1，页3，页2。
由于都在内存中，并不发生缺页中断。
页5不在内存，发生缺页中断。
页5进入内存，页5置换页0。
(5次缺页中断) 接下来调入页2，页3。
由于都在内存中，并不发生缺页中断。
页6不在内存，发生缺页中断。
页6进入内存。
页6置换页1。
(6次缺页中断) 页2在内存，不发生缺页中断。
页1不在内存(在发生第6次缺页中断时被置换了)，发生缺页中断。
页1进入内存，页2被置换。
(7次缺页中断)页4置换页3，页4进入内存。
(8次缺页中断)现在调入页2，但页2在发生第7次缺页中断时被置换掉了。
页面置换算法
页面置换算法2008-03-01 22:30评价一个算法的优劣,可通过在一个特定的存储访问序列（页面走向）上运行它，并计算缺页数量来实现。
1 先入先出法（FIFO）最简单的页面置换算法是先入先出（FIFO）法。
这种算法的实质是，总是选择在主存中停留时间最长（即最老）的一页置换，即先进入内存的页，先退出内存。
理由是：最早调入内存的页，其不再被使用的可能性比刚调入内存的可能性大。
建立一个FIFO队列，收容所有在内存中的页。
被置换页面总是在队列头上进行。
当一个页面被放入内存时，就把它插在队尾上。
这种算法只是在按线性顺序访问地址空间时才是理想的，否则效率不高。
因为那些常被访问的页，往往在主存中也停留得最久，结果它们因变“老”而不得不被置换出去。
FIFO的另一个缺点是，它有一种异常现象，即在增加存储块的情况下，反而使缺页中断率增加了。
当然，导致这种异常现象的页面走向实际上是很少见的。
2 最优置换算法（OPT）最优置换（Optimal Replacement）是在理论上提出的一种算法。
其实质是：当调入新的一页而必须预先置换某个老页时，所选择的老页应是将来不再被使用，或者是在最远的将来才被访问。
采用这种页面置换算法，保证有最少的缺页率。
但是最优页面置换算法的实现是困难的，因为它需要人们预先就知道一个进程整个运行过程中页面走向的全部情况。
不过，这个算法可用来衡量（如通过模拟实验分析或理论分析）其他算法的优劣。
3 最久未使用算法（LRU）FIFO算法和OPT算法之间的主要差别是，FIFO算法利用页面进入内存后的时间长短作为置换依据，而OPT算法的依据是将来使用页面的时间。
如果以最近的过去作为不久将来的近似，那么就可以把过去最长一段时间里不曾被使用的页面置换掉。
它的实质是，当需要置换一页时，选择在最近一段时间里最久没有使用过的页面予以置换。
这种算法就称为最久未使用算法（Least Recently Used，LRU）。
列举5种页置换算法
列举5种页置换算法
1. 先进先出（First-In-First-Out，FIFO）算法：最早进入内存的页将被替换出去，是最简单的页面置换算法，但也存在缺点，即无法区分页的重要性和频繁使用程度。
2. 最近最久未使用（Least Recently Used，LRU）算法：根据页的最近使用时间来进行置换，即替换最久未被使用的页，相对于FIFO算法，能更好地利用页的使用频率。
3. 最不经常使用（Least Frequently Used，LFU）算法：根据页的使用次数来进行置换，即替换使用次数最少的页，可以更好地适应动态变化的访问模式。
4. 最佳置换（Optimal）算法：根据将来的访问模式进行置换，即替换将来不再使用的页，由于需要预先预测访问模式，实现较为困难。
5. 时钟（Clock）算法：将页的状态标记为是否被访问过，以一个类似时钟的数据结构进行循环检测，置换未被访问过的页。
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5.2 系统功能模块介绍
该先进先出（FIFO）页面置换算法设计各模块主要完成的功能有：
1) 存放页面数 M(M<=32)。
2) 分配给作业的内存块数为 N(N<=4)。
3) 计算并显示作业运行过程中发生的缺页率。 4) 置换算法：采用先进先出（FIFO）置换算法。 5) 结束
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西安建筑科技大学华清学院课程设计（论文）
课程设计（论文）
题 目：页面置换算法-先进先出（FIFO）
院 （系）： 信 息 与 控 制 工 程 系
专业班级 ：
计算机
姓 名：
学 号：
指导教师 ：
2015 年 1 月 23 日
西安建筑科技大学华清学院课程设计（论文）
西安建筑科技大学华清学院课程设计（论文）任务书
队列
FIFO
需由此接口发送的报文
说明：
紧急报文
次紧急报文
非紧急报文
离开接口的报文
图 1 队列
4.2 系统包含的函数
int N;
//需要进入内存的页面总数。
int k,m,n; //k 为数组下标，m 表示物理块数，n 表示页面号。
int i,j,count=0; //i、j 为数组下标，count 为计数器。
3.3 非功能性需求
用户界面需求：简洁、易用、易懂、友好的用户界面。 硬件要求：装有Visual C++6.0的计算机。 可靠性需求：保证用户在正常使用本系统时，用户的操作或误操作不会产生数 据的丢失。
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西安建筑科技大学华清学院课程设计（论文）
பைடு நூலகம்
4.概要设计
4.1 数据结构
先进先出（FIFO）算法即先入先出队列，先进入的对象先出来。 下面是队列的实现：
专业班级： 计算机 学生姓名： 指导教师（签名）：
一、 课程设计（论文）题目
页面置换算法模拟-先进先出（FIFO）算法：编写一个页面置换算法程序，采用先 进先出（FIFO）算法，在需要页面调出时，淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中 驻留时间最久的页面予以淘汰。
二、本次课程设计（论文）应达到的目的
操作系统课程实践性比较强。课程设计是加强学生实践能力的一个强有力手段。课 程设计要求学生在完成程序设计的同时能够写出比较规范的设计报告。严格实施课程设 计这一环节，对于学生基本程序设计素养的培养和软件工作者工作作风的训练，将起到 显著的促进作用。
本题目要达到目的：通过对页面、页表、地址转换和页面置换过程的模拟，加深对 请求调页系统的原理和实现过程的理解。
int N;
//需要进入内存的页面总数。
int k,m,n; //k 为数组下标，m 表示物理块数，n 表示页面号。
int i,j,count=0; //i、j 为数组下标，count 为计数器。
int a[100],b[100]
float rate; int main()
//计算并显示作业运行过程中发生的缺页率。 //主函数
2）模拟一个作业的执行过程，该作业共有 320 条指令，即它的地址空间 为 32 页，目前它的所有页都还未调入内存。在模拟过程中，如果所访问的指令 已在内存，则显示其物理地址，并转下一条指令。如果所访问的指令还未装入 内存，则发生缺页，此时需记录缺页的次数，并将相应页调入内存。如果 4 个 内存块均已装入该作业，则需进行页面置换，最后显示其物理地址，并转下一 条指令。
西安建筑科技大学华清学院课程设计（论文）
《操作系统》课程设计 页面置换算法模拟-先进先出（FIFO）算法
1.设计目的
“操作系统”是计算机专业的核心专业课，“操作系统课程设计”是理解 和巩固操作系统基本理论、原理和方法的重要的实践环节。
操作系统课程主要讲述的内容是多道操作系统的原理与技术，与其它计算 机原理、编译原理、汇编语言、计算机网络、程序设计等专业课程关系十分密 切。本课程设计的目的综合应用学生所学知识，建立系统和完整的计算机系统 概念，理解和巩固操作系统基本理论、原理和方法，掌握操作系统基本理论与 管理方式。在算法基础上，解决实际的管理功能的问题，提高学生实际应用、 编程的能力。
int a[100],b[100];
float rate; int main()
//计算并显示作业运行过程中发生的缺页率。 //主函数
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4.3 函数间的关系
该程序中函数间的关系是由 main 函数作为入口函数，根据不同的选择调用 不同的函数，还有函数间的调用。
三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参 数、设计要求等）
1）假设每个页面中可存放 10 条指令，分配给作业的内存块数为 4。 2）模拟一个作业的执行过程，该作业共有 320 条指令，即它的地址空间为 32 页， 目前它的所有页都还未调入内存。在模拟过程中，如果所访问的指令已在内存，则显示 其物理地址，并转下一条指令。如果所访问的指令还未装入内存，则发生缺页，此时需 记录缺页的次数，并将相应页调入内存。如果 4 个内存块均已装入该作业，则需进行页 面置换，最后显示其物理地址，并转下一条指令。 在所有 320 指令执行完毕后，请计算并显示作业运行过程中发生的缺页率。 3）置换算法：采用先进先出（FIFO）置换算法。
4.4 系统功能模块图
页面置换先进先出（FIFO）算法
输入
输入
输入
缺
系统
需要
依次
页
分配
进入
进入
中
的物
内存
内存
断
理块
的页
的页
次
数
面总
面号
数
(M<=4
数
)
(N<=
32)
缺
结
页
中
断
束
率
图 2 系统功能模块图
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5.详细设计
5.1 系统的详细定义和介绍
否 重新输入页面总数 N<=40
结束
图 3 输入模块流程图
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2) 输出是否缺页、输出系统分配的物理块数、输出需要进入内存的页面总 数、输出缺页中断的次数、根据输出的页面总数和缺页中断的次数计算缺 页中断率 假如输入内存的页面总数是 10，系统分配的物理块数是 4，页面号是 7 1 4 5723056 则输出结果如图所示：
四、应收集的资料及主要参考文献：
操作系统经典算法的编程实现资料非常丰富，可以在图书馆找书籍或在因特网上找 资料，都很容易找到，但是大部分代码是不全的，不能直接运行，希望大家只是把它当 参考，编码还是自己做。
参考文献： 【1】汤小丹、梁红兵、哲凤屏、汤子瀛 编著.计算机操作系统（第三版）.西安： 西安电子科技大学出版社，2007.5 【2】史美林编.计算机操作系统教程.北京：清华大学出版社，1999.11 【3】徐甲同编著.操作系统教程.西安：西安电子科技大学出版社，1996.8 【4】Clifford，A.Shaffer 编著.数决结构与算法分析(C++版).北京：电子工业出 版社，2005.7 【5】蒋立翔编著.C++程序设计技能百练.北京：中国铁道出版社，2004.1
五、审核批准意见
教研室主任（签字）
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设计总说明
该页面置换先进先出算法的设计的主要目的是，通过对页面、页表、地址 转换和页面置换过程的模拟，加深对请求调页系统的原理和实现过程的理解。
该设计的内容有：1）假设每个页面中可存放 10 条指令，分配给作业的内 存块数为 4。
本题目的设计要达到目的：通过对页面、页表、地址转换和页面置换过程 的模拟，加深对请求调页系统的原理和实现过程的理解
主要运用了 while 语句来实现。
部分代码如下：
using namespace std; #define Max 32
//某进程调入内存中的最大页面数
#define Size 4
//系统为某进程分配的最大物理块数
本题目的设计要达到目的：通过对页面、页表、地址转换和页面置换过程 的模拟，加深对请求调页系统的原理和实现过程的理解。
2.主要思想描述
页面置换先进先出（FIFO）算法的主要思想是：当需要淘汰一个页面时，总 是选择驻留主存时间最长的的页面进行淘汰，即先进入主存的页面先淘汰。其 理由是：最早调入主存的页面不再被使用的可能性最大。
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5.3 具体模块设计
1) 输入系统分配的物理块数（M<=4）、输入需要的内存页面总数(N<=32)、输 入页面号 n，如图所示：
开始
初始化页面
输入系统分配的物理块数 M
M<=1
是
否 重新输入物理块数 M<=10
输入需要进入内存的页面总数 N
N<=4
是 输入页面号 n
开始
输入系统分配的物理块数 (M<=10):4
输入需要进入内存的页面总数 (N<=40):10 输入页面号: 7 1 4 5 7 2 3 0 5 6
输出： 7 页面进入内存,产生第 1 次缺页 1 页面进入内存,产生第 2 次缺页. 4 页面进入内存,产生第 3 次缺页. 5 页面进入内存,产生第 4 次缺页. 7 内存中有这个页面,直接访问. 2 7 被置换出去,产生第 5 次缺页. 3 1 被置换出去,产生第 6 次缺页. 0 4 被置换出去,产生第 7 次缺页. 5 内存中有这个页面,直接访问. 6 5 被置换出去,产生第 8 次缺页.
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