【精品】页面置换算法实验报告

【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：
```python
from collections import deque
class FIFO:
def __init__(self, frame_num):
self.frame_num = frame_num
self.frames = deque(maxlen=frame_num)
def access(self, page):
if page in self.frames:
return False
if 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。

当一个页面被访问时，将该页面从原有的位置删除，并重新插入到链表的末尾，表示该页面最近被访问。

代码如下：
```python
class LRU:
class Node:
def __init__(self, value=None, prev=None, next=None):
self.value = value
self.prev = prev
self.next = next
def __init__(self, frame_num):
self.frame_num = frame_num
self.frames = []
self.lookup = {}
self.head = self.Node()
self.tail = self.Node()
self.head.next, self.tail.prev = self.tail, self.head
def _insert(self, node):
node.prev, node.next = self.tail.prev, self.tail
node.prev.next, node.next.prev = node, node
def _remove(self, node):
node.prev.next, node.next.prev = node.next, node.prev def access(self, page):
node = self.lookup.get(page)
if node:
self._remove(node)
self._insert(node)
return False
if len(self.lookup) >= self.frame_num:
node_to_remove = self.head.next
self._remove(node_to_remove)
del self.lookup[node_to_remove.value]
node = self.Node(page)
self.lookup[page] = node
self._insert(node)
return True
```
3、Clock算法实现
Clock算法是基于FIFO算法的改良算法，它给每个页面设置了一个使用位（use bit），用于记录该页面是否被访问。

当需要置换页面时，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，并将该页面移到队列的末尾；如果该页面的使用位为0，则选择该页面进行替换。

代码如下：
```python
class Clock:
def __init__(self, frame_num):
self.frame_num = frame_num
self.frames = []
self.ptr = 0
def access(self, page):
for frame in self.frames:
if frame[0] == page:
frame[1] = 1
return False
while True:
if self.frames[self.ptr][1] == 0:
self.frames[self.ptr] = [page, 1]
self.ptr = (self.ptr + 1) % self.frame_num
return True
else:
self.frames[self.ptr][1] = 0
self.ptr = (self.ptr + 1) % self.frame_num
```
四、实验结果
实验采用样例[1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5]测试三种页面置换
算法的效果，并统计置换次数。

FIFO算法置换次数为9。

LRU算法置换次数为7。

Clock算法置换次数为8。

可以看出，LRU算法的效果较好，置换次数最少，而FIFO算
法效果较差，置换次数最多。

五、总结
本次实验了解了页面置换算法在操作系统中的应用，了解了FIFO、LRU和Clock等页面置换算法的原理，并实现了这三
种算法。

通过对样例的测试，我们可以看出每种算法的优缺点，以及不同算法在不同场合的应用。