操作系统页面置换算法详解（OPT算法、FIFO算法、LRU算法解释+缺页数计算）

news2024/10/7 10:15:54

名人说：一花独放不是春，百花齐放花满园。——《增广贤文》
作者：Code_流苏(CSDN)（一个喜欢古诗词和编程的Coder😊）

目录

〇、页面置换算法是什么？
一、OPT算法
1、算法介绍
2、举例
二、FIFO算法
1、算法介绍
2、举例
三、LRU算法
1、算法介绍
2、举例
3、关于OPT和LRU算法的区分

以下内容分享出来，仅供学习交流，且仅在CSDN平台发布，未经授权禁止二次转发。

〇、页面置换算法是什么？

页面置换算法是一种操作系统用来管理虚拟内存的技术，它的目的是在内存不足时，选择一些不常用的页面（内存块）从内存中移出，以便为新的页面腾出空间。

具体来说是在进程运行的过程当中，进程所要访问的页面不在内存中，我们就需要把这个不在内存中的页面调入内存，但内存已经没有空闲空间了，这时候就要求系统从内存中调出一个页面，将其移入磁盘的对换区中。

简单理解：等候区里坐满了人，位置不够了，此时有人出去，腾出位置，后面新进来的人入座

在这里插入图片描述

等等？你还没有讲OPT、FIFO、和LRU呢？

在这里插入图片描述

咳咳，OK，既然如此，接下来就进入正式的讲解（一脸严肃地如是说道）：

一、OPT算法

1、算法介绍

OPT算法是最佳置换算法，它的思想是在发生缺页时，选择下一次出现最晚的页面进行置换，从而使缺页率最低。

如果要用代码实现，可以这样来实现：首先定义一个next数组，用来记录每个页面下一次出现的位置。每次发生缺页时，遍历内存块中的所有页面，找到next值最大的页面，即下一次出现最晚的页面，作为置换对象。同时，用一个count变量记录缺页次数，再用一个flag数组记录每个页面是否在内存中。

简单理解：选择以后永不使用或者在最长时间内不再被访问的页面进行置换。（向后看）

2、举例

在一个请求分页系统中，假设系统分配给某进程的物理块数为 3，开始时内存为空，执行如下访问页号序列（标记红色的是要下次请求被置换掉的）：

1，2，3，4，1，2，5，1，2，3，4，5

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（图片来源网络，只用于帮助理解，侵删）

Y表示缺页，N表示不缺页

缺页次数： 7 次

★补充一点：发生缺页的判断条件是指令所在的页面不在内存中

二、FIFO算法

1、算法介绍

FIFO算法是先进先出置换算法。它的思想是在发生缺页时，选择最先进入内存的页面进行置换，即按照进入内存的先后顺序进行置换。

如果要用代码实现，可以这样来实现：先定义一个queue数组，用来记录每个内存块中的页面进入的先后顺序。每次发生缺页时，取出queue数组的第一个元素，即最先进入内存的内存块号，作为置换对象。然后将该元素移到queue数组的末尾，表示该内存块中的页面最近被访问过。同时，用一个count变量记录缺页次数，接着用一个flag数组记录每个页面是否在内存中。

简单理解：先进先出，如果满了，就对先进来的进行置换。（可以结合数据结构队列理解）

在这里插入图片描述

2、举例

比如有下述页面走向：1, 2, 3, 4, 2, 1, 5, 6, 2, 1, 2, 3, 7, 6, 3, 2, 1, 2, 3, 6。当内存块数量分别为3时, 我们算一算使有此方法时产生的缺页次情况。 (注意, 所有内存块最初都是空的, 凡第一次用到的页面都产生一次缺页。)
当内存块数量分别为3时，FIFO算法的执行过程如下图所示。

在这里插入图片描述
（图片来源网络，只用于帮助理解，侵删）

打叉的表示发生了缺页，共有16个×，即

缺页次数： 16 次

三、LRU算法

1、算法介绍

LRU算法是最近最久未使用置换算法，它的思想是在发生缺页时，选择最近一段时间内最久未使用的页面进行置换，即按照访问时间的远近进行置换。（时间维度来考虑，原理依据局部性原理）

如果要用代码实现，可以这样来实现：一开始定义一个last数组，用来记录每个页面最近一次出现的位置。每次发生缺页时，遍历内存块中的所有页面，找到last值最小的页面，即最近一段时间内最久未使用的页面，作为置换对象。同时，用一个count变量记录缺页次数，并用一个flag数组记录每个页面是否在内存中。

简单理解：选择最近最长时间没有被访问的页面进行置换。（向前看）

2、举例

由于OPT和LRU容易混淆，因此在网上精选了两题来帮助大家理解。

1️⃣例1

在一个请求分页系统中，假设系统分配给某进程的物理块数为 3，开始时内存为空，执行如下访问页号序列（标记红色的是要下次请求被置换掉的）：

1，2，3，4，1，2，5，1，2，3，4，5

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（图片来源网络，只用于帮助理解，侵删）

缺页次数： 10 次

2️⃣例2

在一个请求页式存储管理中，一个程序的页面走向为 3、4、2、1、4、5、3、4、5、1、2，并采用 LRU 算法。设分配给该程序的存储块数 S 分别为 3，在该访问中发生的缺页次数 F 是 ?

页面\数据走向	3	4	2	1	4	5	3	4	5	1	2
物理块0	3	4	2	1	4	5	3	4	5	1	2
物理块1		3	4	2	1	4	5	3	3	5	1
物理块2			3	4	2	1	4	5	4	3	5
是否缺页（是 √ 否×）	×	×	×	×		×	×			×	×

所以F=8，即
缺页次数：8次

3、关于OPT和LRU算法的区分

OPT算法是最优页面置换算法，它的原理是在发生缺页中断时，选择以后永不使用或者在最长时间内不再被访问的页面进行淘汰。
LRU算法是最近最久未使用算法，它的原理是在发生缺页中断时，选择最近最长时间没有被访问的页面进行淘汰。
OPT算法和LRU算法的区别在于，OPT算法是根据各页以后的使用情况进行置换，是“向后看”的，而LRU算法是根据各页以前的使用情况进行置换，是“向前看”的。
一个是不再被访问（OPT），另一个则是没有被访问（LRU）。

撒花结束，(〃￣o￣) 人 (￣︶￣〃)，Yaho，写完咯！在这里插入图片描述