【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