(LRU)置换算法-操作系统
操作系统页面置换算法（opt,lru,fifo,clock）实现
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
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。
页式虚拟存储管理FIFO、LRU和OPT页面置换算法
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 (9)7 参考文献 (10)8 附录：源程序清单 (10)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。
操作系统课程设计面置换算法LRU算法
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!。
闽南师范大学操作系统课程设计内存LRU页面置换算法的设计
闽南师范⼤学操作系统课程设计内存LRU页⾯置换算法的设计闽南师范⼤学操作系统课程设计内存LRU页⾯置换算法的设计姓名：学号：系别：计算机学院专业：⽹络⼯程专业年级：13⽹络2班指导教师：全秀祥、闫格2016年5⽉15⽇⽬录⼀、课程设计项⽬介绍 (3)1.1 项⽬介绍 .................... 错误！未定义书签。
1.2 设计⽬的 (3)⼆、总体设计 (4)2.1 总体结构 (4)2.2 原理框图 (4)2.2 设计原理 (4)三、详细设计 (5)3.1数据结构 (5)3.2程序流程图 (5)3.2代码及注释 (6)四、运⾏结果 (14)4.1运⾏及测试结果 (14)4.2 使⽤说明书 (16)五、课程设计⼩结与⼼得体会 (17)5.1 课设⼩结 (17)5.2 ⼼得体会 (18)⼀、课程设计项⽬介绍1.1 项⽬介绍-内容：实现教材4.8节中所描述的LRU置换算法-要求：假设系统采⽤固定分配局部置换策略，某进程的总页⾯数为8（分别以数字0－7来代表）；运⾏时，输⼊分配给该进程的页块数（如：3）和⼀个20位长的页⾯访问序列（如：12560,36536,56042,70435），输出缺页次数和缺页率。
置换图如下所⽰：序1 2 5 6 0 3 6 5 3 6 5 6 0 4 2 7 0 4 3 5列1 1 1 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 3 32 2 2 0 0 0 5 5 5 5 5 5 4 4 4 0 0 0 55 5 5 3 3 3 3 3 3 3 0 0 2 2 2 4 4 4缺√√√√√√√√√√√√√√√页则缺页次数和缺页率为：缺页次数：15 缺页率：15/20=0.751.2 设计⽬的通过对内存页⾯置换算法的设计，深⼊理解虚拟存储管理的原理。
⼆、总体设计2.1 总体结构LRU页⾯置换算法⾃定义页⾯应⽤LRU算法EXIT2.2 原理框图-1-1-11-1-112-1125Block2.3 设计原理LRU：最近最久未使⽤置换算法。
LRU算法原理解析
LRU算法原理解析LRU是Least Recently Used的缩写，即最近最少使⽤，常⽤于页⾯置换算法，是为虚拟页式存储管理服务的。
现代操作系统提供了⼀种对主存的抽象概念虚拟内存，来对主存进⾏更好地管理。
他将主存看成是⼀个存储在磁盘上的地址空间的⾼速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在主存和磁盘之间来回传送数据。
虚拟内存被组织为存放在磁盘上的N个连续的字节组成的数组，每个字节都有唯⼀的虚拟地址，作为到数组的索引。
虚拟内存被分割为⼤⼩固定的数据块虚拟页(Virtual Page,VP)，这些数据块作为主存和磁盘之间的传输单元。
类似地，物理内存被分割为物理页(Physical Page,PP)。
虚拟内存使⽤页表来记录和判断⼀个虚拟页是否缓存在物理内存中：如上图所⽰，当CPU访问虚拟页VP3时，发现VP3并未缓存在物理内存之中，这称之为缺页，现在需要将VP3从磁盘复制到物理内存中，但在此之前，为了保持原有空间的⼤⼩，需要在物理内存中选择⼀个牺牲页，将其复制到磁盘中，这称之为交换或者页⾯调度，图中的牺牲页为VP4。
把哪个页⾯调出去可以达到调动尽量少的⽬的？最好是每次调换出的页⾯是所有内存页⾯中最迟将被使⽤的——这可以最⼤限度的推迟页⾯调换，这种算法，被称为理想页⾯置换算法，但这种算法很难完美达到。
为了尽量减少与理想算法的差距，产⽣了各种精妙的算法，LRU算法便是其中⼀个。
LRU原理LRU 算法的设计原则是：如果⼀个数据在最近⼀段时间没有被访问到，那么在将来它被访问的可能性也很⼩。
也就是说，当限定的空间已存满数据时，应当把最久没有被访问到的数据淘汰。
根据所⽰，假定系统为某进程分配了3个物理块，进程运⾏时的页⾯⾛向为 7 0 1 2 0 3 0 4，开始时3个物理块均为空，那么LRU算法是如下⼯作的：基于哈希表和双向链表的LRU算法实现如果要⾃⼰实现⼀个LRU算法，可以⽤哈希表加双向链表实现：设计思路是，使⽤哈希表存储 key，值为链表中的节点，节点中存储值，双向链表来记录节点的顺序，头部为最近访问节点。
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。
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
1. 实验背景
页面置换算法是操作系统中的重要概念，主要用于解决内存不足的问题。
它通过将当前不需要的页面从内存中移出，以腾出空间给即将到来的页面。
本次实验主要是通过模拟不同页面置换算法的过程，来更好地了解和掌握这些算法的实现原理及其优缺点。
2. 实验过程
本次实验中，我们使用了三种页面置换算法，分别是最优页面置换算法（OPT）、先进先出页面置换算法（FIFO）和最近最久未使用页面置换算法（LRU）。
在模拟的过程中，我们需要先给每个页面设置一个访问时间，然后根据不同算法的实现原理来决定哪个页面被置换出去。
通过实验，我们发现不同的算法在不同情况下的效果也会不同。
比如，当页面访问时间相对均匀分布时，FIFO算法的效果会比较好，而当页面访问时间存在一定规律性时，LRU算法的效果则会更好。
而OPT 算法则需要未来时间的信息，一般情况下难以实现，但是在某些特殊情况下，它也可以发挥出比较好的效果。
3. 实验心得
通过本次实验，我更深入地了解了页面置换算法的实现原理，学会了如何根据不同算法的特点来选择合适的算法来解决内存不足的问题。
在实验过程中，我也学会了如何使用Python编程语言来模拟不同算法的过程，提高了我的编程能力。
通过不断地调试和实验，我还学会了如何发现问题和解决问题的方法，这对我今后的学习和工作都大有裨益。
总之，本次实验不仅加深了我对操作系统中重要概念的理解，也提高了我的编程和分析问题的能力，让我对未来的学习和工作充满信心和热情。
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实验报告三
——内存页面置换算法的设计
姓名：田玉祥
班级：计算机科学与技术专业一班
一、实验内容
·实现最近最久未使用（LRU）置换算法
二、实验目的
•LINUX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
一部分调入内存便可运行，还支持请求调页的存储管理方式。
•本实习要求学生通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计，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。
三、实验题目
1. 最近最久未使用（LRU）置换算法原理就是：当需要淘汰某页
面时，选择当前一段时间内最久未使用过的页先淘汰，即淘汰距当前最远的上次使用的页。
•例如: 分配给该进程的页块数为3，一个20位长的页面访问序列为:12560,36536,56042,70435，
则缺页次数和缺页率按下图给出:
假定分配给该进程的页块数为3，页面访问序列长度为20。
本实验可以采用数组结构实现，首先随机产生页面序列，当发生请求调页时，若内存已满，则需要利用LRU算法，将当前一段时间内最久未使用过的页替换出去。
程序实现想法：
用一个数组a[n]来存放所有需要访问的页，用一个数组b[3]来存放页表，用数组c[3]来存放页表每一页的权值，就是最近最少使用的度，度越高则使用率越小，用n次循环，每次a[i]进行判断时先判断有没有空格，再判断a[i]是否已经在页表中，此时注意要将权值归1，若都没有这些情况，则用函数int MAX(int a,int b,int c) 找到权值最大的，进行替换，并将其他页的权值加1.
实验代码：
//LRU算法，最近最少使用的页替换算法
#include<iostream>
#include <string>
using namespace std ;
int MAX(int a,int b,int c) //赋值之后的权值中找到权值最大的，返回它的下标也就是最近最少使用的
{
int max = a ;
if(max<b)
{
max = b ;
if(max<c)
max = c ;
}
else
if(max<c)
max = c ;
if(a==max) //找到权值最大的数的下标
return 0 ;
else if(b==max)
return 1 ;
else if(c==max)
return 2 ;
}
int main()
{
// string k ; //k表示当前最近最少使用的页;
int i,j,n,l,m,p,q ; //j表示当前访问的页是否已经在访问,0表示没有发生缺页，1表示发生缺页
//q来表示页表是否有空格，即当前是否全部在使用，1表示全部在使用，0表示还有空格
string *b = new string [3] ; //存放页表
int *c = new int [3] ; //存放页表的权值
for(i=0;i<3;i++)
{
b[i] = " " ;
c[i] = 1 ;
}
cout<<"请输入要访问的页码页数："<<endl ;
cin >> n ;
string *a = new string [n] ; //存放所有要访问的页
cout<<"请输入"<<n<<" 个每一次要访问的页码页号："<<endl ;
for(i=0;i<n;i++)
cin>>a[i] ;
cout<<"页表访问过程如下，“1”表示发生缺页，“0”表示不发生缺页："<<endl ; for(i=0;i<n;i++)
{
j = 1 ;
q = 1 ; //表示页表没有空位，全被使用
for(l=0;l<3;l++)
if(a[i]==b[l])
{
j = 0 ;
c[l]=1 ; //将权值设为1
c[l-1]++;
c[l-2]++;
c[l+1]++;
c[l+2]++;
break ;
}
if(j==0) //如果需要访问的页正在被访问，即已经在页表，直接输出。
并将其权值设为1
{
for(l=0;l<3;l++)
cout<<b[l]<<" " ;
cout<<j<<endl ;
}
//如果访问的页发生缺页有两种情况
if(j==1) //第一种，页表有空闲帧
for(l=0;l<3;l++)
{
if(b[l]==" ")
{
b[l]=a[i] ;
c[l-1]++ ;
c[l-2]++ ;
for(p=0;p<3;p++)
cout<<b[p]<<" " ;
cout<<j<<endl ;
q = 0 ;
break ;
}
}
if(j==1&&q==1) //须要访问的页不在页表中
{
m = MAX(c[0],c[1],c[2]) ;
b[m]=a[i] ;
c[m]=1 ;
c[m-1]++;
c[m-2]++;
c[m+1]++;
c[m+2]++;
for(p=0;p<3;p++)
cout<<b[p]<<" " ;
cout<<j<<endl ;
}
}
system("pause") ;
return 0 ;
}
代码实现：
四、思考题：
•比较LRU和其他置换算法各自的优缺点，能够实现其他置换算法模拟设计，分析内存页面数的变化对各种置换算法命中率的影响。
答：内存页面数越多，命中率越高，因为所有页都使用后，发生缺页下次命中时有更多的页可以与当前需要的页进行比较，所以命中率较高。
LRU算法可以减少页错误率,较易理解.
最优算法页错误最低,且没有Belady异常,但是较难实现 FIFO算法容易理解和实现,但是页错误率较高
五、实验总结
通过本次实验明白了LRU算法的过程，通过编程得知LRU算法
发生缺页时的两种情况，第一种是页表有空闲的帧但是没有当前所需要的页，另外一种是没有空闲帧也没有当前所需要的页，要分两种情况，通知这还要再是不是发生缺页的大前提下，由于很难找到最近最少使用的那一页来替换，所以花了不少时间，我通过给每页表中的每一页赋权值的方法解决了找到那个最近最少使用的一页，这个方法很好，希望能在下次的实验中多家努力。