最佳置换算法
操作系统十大算法具体内容
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。
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。
O p t i m a l 最 佳 页 面 置 换 算 法
清华大学操作系统公开课（五）页面置换算法下面介绍在虚拟存储管理中有哪些页面置换算法。
局部页面置换算法最优页面置换算法（OPT，optimal）? 先进先出算法（FIFO）? 最近最久未使用算法（LRU，Least Recently Used）? 时钟页面置换算法（Clock）? 最不常用算法（LFU，Least Frequently Used）? Belady现象? LRU、FIFO和Clock的比较全局页面置换算法工作集模型? 工作集页置换算法? 缺页率置换算法2.页面置换算法当缺页中断发生，需要调入新的页面而内存已满时，选择内存当中哪个物理页面被置换。
尽可能地减少页面的换进换出次数（即缺页中断的次数）。
具体来说，把未来不再使用的或短期内较少使用的页面换出，通常只能在局部性原理指导下依据过去的统计数据来进行预测。
页面锁定（frame locking）页面锁定技术是用来锁定物理内存中不应该被换出的内存数据。
用于描述必须常驻内存的操作系统的关键部分或时间关键（time-critical）的应用进程。
实现的方法是：在页表中添加锁定标志位（lock bit）。
我们该如何评估不同页面置换算法的优劣？通过程序运行时的效率来比较是不容易实现的，可以记录下一个进程对页面的访问轨迹，然后模拟一个页面置换的行为并且记录产生页缺失的数量，以此比较优劣。
3.最优页面置换算法基本思路当一个缺页中断发生时，对于保存在内存当中的每一个逻辑页面，计算在它下一次访问之前，还需要等待多长时间，从中选择等待时间最长的那个，作为被置换的页面。
这只是一种理想情况，在实际系统中是无法实现的，因为操作系统无从知道每一个页面要等待多长时间后才会再次被访问。
可用作其它算法的性能评价的依据（在一个模拟器上运行某个城西，并记录每一次的页面访问情况，在第二遍运行时即可使用最优算法）。
物理内存大小为4个帧，刚开始存入的物理帧是a、b、c、d，一共需要载入5个帧，当访问e时发生缺页中断，此时置换入e，置换出d，因为下一次访问d的等待时间最长，暂时用不到d，可以让d待在外存。
页面置换算法实验报告
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。
操作系统-页面置换算法课件
第一章 操作系统引论
图5-3 利用最佳页面置换算法时的置换图
3
第一章 操作系统引论
2. 先进先出(FIFO)页面置换算法 FIFO算法是最早出现的置换算法。该算法总是淘汰最先 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。该算法实现简单，只需把一个进程已调入内存的页面 按先后次序链接成一个队列，并设置一个指针，称为替换指 针，使它总是指向最老的页面。但该算法与进程实际运行的 规律不相适应，因为在进程中，有些页面经常被访问，比如， 含有全局变量、常用函数、例程等的页面，FIFO算法并不能 保证这些页面不被淘汰。
9
第一章 操作系统引论
图5-6 某进程具有8个页面时的LRU访问情况
10
第一章 操作系统引论
2) 栈 可利用一个特殊的栈保存当前使用的各个页面的页面号。 每当进程访问某页面时，便将该页面的页面号从栈中移出， 将它压入栈顶。因此，栈顶始终是最新被访问页面的编号， 而栈底则是最近最久未使用页面的页面号。假定现有一进程， 它分有五个物理块，所访问的页面的页面号序列为：
4
第一章 操作系统引论
图5-4 利用FIFO置换算法时的置换图
5
第一章 操作系统引论
5.3.2 最近最久未使用和最少使用置换算法 1. LRU(Least Recently Used)置换算法的描述 FIFO置换算法的性能之所以较差，是因为它所依据的条
件是各个页面调入内存的时间，而页面调入的先后并不能反 映页面的使用情况。最近最久未使用(LRU)的页面置换算法 是根据页面调入内存后的使用情况做出决策的。
1
第一章 操作系统引论
5.3.1 最佳置换算法和先进先出置换算法 1. 最佳(Optimal)置换算法 最佳置换算法是由Belady于1966年提出的一种理论上的
置换算法
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Belady现象
A B C D A B E A B C D E A B C D A B E A B C D E
增加一个页架
A A A A B B B C C D
A B C D
A B C D
E B C D
E A C D
E A B D
• 选择最后一次访问时间距离当前时间最长的一页 并将其淘汰。即淘汰没有使用的时间最长的页。
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最近最久未使用置换算法(思想)
新调入的页面，放在顶部， 表示最近使用
注意：把A往入顶部， 表示最近被使用
A B C D A B E A B C D E A B C D A B E A B C D E
A B C D A B C A B
A A A A B B B C D
A A A A A C C C B B B B B B D D D D E E E E E E
依次被淘汰的页面为：C、D、A、B，共发生 7次缺页中断(7=4+3)
8
最佳置换算法(优缺点)
• 优点：最理想的 • 缺点：无法实现，因为人们难以预知一个 作业将来会用到哪些页面。
• 先进先出置换算法
• 最近最久未使用置换算法
4
最佳置换算法
最佳置换算法是由Belady于1966年提出的一
种理论上的算法。其所选择的被淘汰页面，
将是以后永不使用的，或者是在最长(未来)
时间内不再被访问的页面。简单地说就是
哪一个页面在将来最迟需要访问，就置换
它。
5
最佳置换算法
• 假定系统为某进程分配了三个页架（物理块），并考虑有 以下的页面号引用串：
O p t i m a l 最 佳 页 面 置 换 算 法
java实现FIFO和LRU页面置换算法FIFO是内存管理的一种页面置换算法，FIFO（FirstInput First Output），即先进先出队列。
例：在超市购物之后会提着我们满满的购物车来到收银台排在结账队伍的最后，眼睁睁地看着前面的客户一个个离开。
这就是一种先进先出机制，先排队的客户先行结账离开。
LRU是内存管理的另一种页面置换算法，对于在内存中但又不用的数据块（内存块）叫做LRU，操作系统会根据哪些数据属于LRU而将其移出内存而腾出空间来加载另外的数据。
?LRU是Least Recently Used的缩写，即最近最久未使用，常用于页面置换算法，是为虚拟页式存储管理服务的。
JAVA实现如下（可以直接执行）：import java.util.Scanner;class wuli{int vlu;int falt;wuli(int vlu ){this.falt=-1;this.vlu=vlu;public class fifolru {int mun; --物理块数int yemianmun; --页面个数fifolru(int mun,int yemianmun) {this.mun=mun;this.yemianmun=yemianmun;public static void fifo(wuli a[],int b[] ) { --------------------------------------------fifo------------System.out.println("+++++++++++++FIFO算法++++++++++++++++");int mun=0;int count=0;for(int q=0;qa.length;q++)a[q]=new wuli (-2); --初始化对象for(int q=0;qb.length;q++) {if(count==a.length) {int f=0; --处理满的情况for(int qq=0;qqa.length;qq++) {if(a[qq].falt==b[q]) {System.out.println("*发现相同，不存入 ");if(f==0) {System.out.println("到达一个元素"+b[q]+"已经满，弹出第一个元素"+a[0].falt+" 末尾加入元素"+b[q]);for(int z=0;za.length-1;z++) { --前移a[z].falt=a[z+1].falt;a[a.length-1].falt=b[q]; --最后一个赋值continue;int k=0;for(int qq=0;qqa.length;qq++) { --处理未满情况if(a[qq].falt==b[q]) {System.out.println("发现相同，不存入 ");if(k==0)for(int z=0;za.length;z++)if(a[z].vlu==-2) --找到没用到的物理块{ a[z].falt=b[q]; a[z].vlu=0;mun++;count++;System.out.println("没有发现相同，存入 ");break;}continue;System.out.print("++++++++++结果物理块的值:"); --fifo 结果for(int a1=0;a1a.length;a1++) {System.out.print(a[a1].falt+" ");System.out.println("++++++++++");System.out.println("++++++++++FIFO缺页次数："+mun+"次+++++++++++");public static void lru(wuli a[],int b[] ) { --------------------------------------------------lru System.out.println("++++++++++LRU算法++++++++++++");int mun=0;int count=0;for(int q=0;qa.length;q++)a[q]=new wuli (-2); --初始化对象for(int q=0;qb.length;q++) {if(count==a.length) { --处理满的情况int f=0;for(int qq=0;qqa.length;qq++) {if(a[qq].falt==b[q]) {System.out.println("*发现相同，不存入,更新位置 ");int ji=qq;for(int s=qq;s0;s--)a[s].falt=a[s-1].falt;a[0].falt=b[q];if(f==0) {System.out.println("到达一个元素"+b[q]+"已经满，弹出最后一个元素"+a[a.length-1].falt+" 首部加入元素"+b[q]);for(int s=a.length-1;s0;s--)a[s].falt=a[s-1].falt;a[0].falt=b[q];continue;int k=0;for(int qq=a.length-1;qq= 0;qq--) { --处理未满情况if(a[qq].falt==b[q]) {System.out.println("发现相同，不存入，更新位置 ");int ji=qq;while(a[ji-1].falt!=-1){ a[ji].falt=a[ji-1].falt ;for(int z=a.length-1;z=0;z--)if(a[z].vlu==-2)a[z+1].falt=b[q];if(k==0)for(int z=a.length-1;z=0;z--)if(a[z].vlu==-2) --找到没用到的物理块{ a[z].falt=b[q]; a[z].vlu=0; mun++;count++;System.out.println("没有发现相同，存入 ");break;}continue;System.out.print("++++++++++结果物理块的值:"); --lru 结果for(int a1=0;a1a.length;a1++) {System.out.print(a[a1].falt+" ");System.out.println("++++++++++");System.out.println("++++++++++FIFO缺页次数："+mun+"次+++++++++++");public static void main(String arg[]) {Scanner input=new Scanner(System.in);System.out.println("请输入分配给程序的物理块数");int mun0=input.nextInt();wuli wulikuai[]=new wuli[mun0]; --物理块数组System.out.println("请输入页面流的个数");int mun1=input.nextInt();int yemianmun[]=new int[mun1]; --页面个数数组fifolru text=new fifolru(mun0, mun1);System.out.print("请顺序输入页面流");for(int a=0;ayemianmun.length;a++) {int shuju = input.nextInt();yemianmun[a]=shuju;System.out.print("选择fifo算法，还是LRU算法。
操作系统名词解释 工作集
工作集工作集（working set）是操作系统中的一个概念，它指的是进程当前所需的所有内存页面的集合。
在操作系统中，每个进程都有自己的工作集，用于存储它当前执行所需的代码和数据。
工作集的大小对于系统的性能和效率有着重要的影响。
工作集的组成工作集由以下几个部分组成：1.代码页面：代码页面是进程中执行的指令的集合。
每个进程在运行时都有一段代码区域，其中存储着它要执行的指令。
这些代码页面通常是只读的，因为它们不会被修改。
代码页面通常是进程的工作集中占用内存最大的部分。
2.数据页面：数据页面用于存储进程运行时需要的数据。
这些数据页面包括全局变量、局部变量以及堆栈中的数据。
数据页面通常会被进程反复读写。
3.栈页面：栈页面用于存储函数调用的信息。
每当一个函数被调用，相关的信息就会被推入栈中，当函数执行完毕时，这些信息会被弹出。
栈页面的大小可以根据需要进行调整。
4.其他页面：除了代码、数据和栈页面外，工作集还可能包括一些其他页面，比如共享库、动态链接库等。
工作集的管理操作系统需要对工作集进行管理，以确保进程能够顺利运行。
工作集管理的主要目标是尽量减少缺页中断的次数，因为缺页中断会导致进程的执行暂停，影响系统的响应速度。
为了达到这个目标，操作系统采取了以下策略：1.预取：预取是指在进程需要某个页面之前，提前将其加载到内存中。
操作系统会根据进程的执行情况和访问模式，预测进程未来可能会用到的页面，并提前将这些页面加载到内存中。
这样可以减少缺页中断的次数，提高系统的响应速度。
2.置换：如果内存不足以容纳所有进程的工作集，操作系统需要进行页面置换。
页面置换是指将一个页面从内存中换出，将另一个页面换入内存。
置换算法的选择对系统的性能有着重要的影响，常用的置换算法包括最佳置换算法、最近最久未使用算法等。
3.清理：当一个进程终止或者暂时不活动时，操作系统会清理它的工作集，将其占用的内存页面释放。
这样可以为其他进程腾出更多的内存空间，提高系统的吞吐量。
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/*-------------最佳置换算法（OPtimal Replacement Algorithm,ORA）-------------*/
/*算法描述:所选择的淘汰页，是以后永不使用，或最长时间内不使用的页面*/
/*---------------------------------writen by Xu Zhuozhuo-----------------------------------*/
C++代码示例:
#include <iostream>
#define MaxSize 20
#define Num_Block 3
using namespace std;
int max(int a,int b,int c) //返回三者的最大值
{
if(a<b) a=b;
if(a<c) a=c;
return a;
}
int main()
{
int num_ref; //引用字符的数目
int ref_arr[MaxSize]; //引用字符串数组
int phy_blk[Num_Block]; //数组模拟“物理块”
cout <<"-----Optimal Replacement Algorithms-----" <<endl <<endl;
do
{
cout <<"Please input the number of reference chars:" <<endl;
cin >>num_ref; //输入引用字符串的数目
}while(num_ref>MaxSize);
cout <<"Please input the queue of reference chars:" <<endl;
for(int i=0;i<num_ref;i++) //输入引用字符串的队列cin >>ref_arr[i];
for(int j=0;j<Num_Block;j++) //前Num_Block项进物理块phy_blk[j]=ref_arr[j];
cout <<endl <<"Display the replacement procedure: ";
cout <<endl <<"---------------------------------- " <<endl;
for(int p=0;p<num_ref-Num_Block;p++)
{
if(!(phy_blk[0]==ref_arr[Num_Block+p] ||
phy_blk[1]==ref_arr[Num_Block+p] ||
phy_blk[2]==ref_arr[Num_Block+p]))
{//寻找phy_blk[0]在引用字符串中的下一位置k1
for(int k1=Num_Block+p+1;k1<MaxSize;k1++)
if(phy_blk[0]==ref_arr[k1])
break;
//寻找phy_blk[1]在引用字符串中的下一位置k2
for(int k2=Num_Block+p+1;k2<MaxSize;k2++)
if(phy_blk[1]==ref_arr[k2])
break;
//寻找phy_blk[2]在引用字符串中的下一位置k3
for(int k3=Num_Block+p+1;k3<MaxSize;k3++)
if(phy_blk[2]==ref_arr[k3])
break;
int max_ref=max(k1,k2,k3); //返回k1,k2,k3中的最大者
if(max_ref==k1) //如果最大者为k1
phy_blk[0]=ref_arr[Num_Block+p];
else if(max_ref==k3) //如果最大者为k2
phy_blk[2]=ref_arr[Num_Block+p];
else if(max_ref==k2) //如果最大者为k3
phy_blk[1]=ref_arr[Num_Block+p];
}
//输出本次替换后的“物理块”数组内容
cout <<endl <<"[" <<p+1 <<"]. Physical block array content: ";
for(int loop=0;loop<Num_Block;loop++)
cout <<phy_blk[loop] <<" ";
}
return 0;
}
VC++6.0下的运行结果见下页:（数据源自操作系统课本）。