【操作系统原理】页面置换算法模拟
完整代码包传送门
Page displacement algorithm simulation
相关文章
【操作系统原理】信号量的应用
【操作系统原理】进程的管道通信
【操作系统原理】Linux多线程的创建和控制
【操作系统原理】进程调度模拟
【操作系统原理】进程创建与控制
原理与内容
1、 请求分页虚拟内存管理
请求分页虚拟内存管理是建立在基本分页基础上的，为了能支持虚拟存储器功能，而增加了请求调页功能和置换功能。
2、工作集
多数程序都显示出高度的局部性，也就是说，在一个时间段内，一组页面被反复引用。这组被反复引用的页面随着时间的推移，其成员也会发生变化。有时这种变化是剧烈的，有时这种变化则是渐进的。我们把这组页面的集合称为工作集
3、缺页率
缺页中断次数/总的页面访问次数
4、算法介绍
（1）先进先出置换算法
先进先出置换算法的主要思想是，在发生页面替换时，被替换的对象应该是最早进入内存的。
（2）最近最久未使用置换算法
最近最久未使用置换算法的主要思想是，在发生页面替换时，被替换的页面应该满足，在之前的访问队列中，该对象截止目前未被访问的时间最长。
（3）Clock置换算法
设置访问位，设置指向系统中最老的页面，每次从最老的页面开始查找，若访问位为1，则将访问位清零，指针向后移，直到找到访问位为0的页面淘汰。
（4）改进型Clock置换算法
改进型Clock置换算法的主要思想是，在Clock算法基础上，增加修改位，在每次页面替换时，总是尽可能地先替换掉既未被访问又未被修改的页面。
过程与结果
一、先进先出页面置换算法（FIFO）实现
FIFO的算法思想是总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存驻留时间最长的页面予以淘汰，我们可以借助优先队列来简单的实现。
其算法实现过程：当有新的访问页面要进入时，首先判断内存容量是否为满，如果不满，再判断所要访问的页面是否在内存中，如果在，则命中输出，不需要将该页调入内存，如果不在，则将该页直接调入内存。如果内存已满，再判断所要访问的页面是否在内存中，如果在，则命中输出，不需要将该页调入内存，如果不在，则将最先进入内存的页面进行置换。
首先引入队列的库，定义3个物理块，n、m分别为总的页面访问次数与缺页中断次数，创建优先队列对象，容量为3并进行初始化。
进行替换更新页面操作，循环输入输出，代码如下：
进行输入输出样例：
可以看到缺页中断率为9/12 = 0.75%
核心代码如下：
while(k != -1):
n += 1
if k not in frame: # 缺页
m += 1
old_k = queue_obj.get() # 被替换的页面
frame[frame.index(old_k)] = k # 更新物理块
queue_obj.put(k)# 更新优先队列
print("发生更新，更新后页面：",frame)
print("被替换的页面：",old_k)
else:
print("发生命中，当前页面：",frame)
k = int(input("请输入要访问的页号，终止输入：-1："))
二、最近最久未使用（LRU）实现
LRU的算法思想是选择最近一段时间最久未使用的页面予以淘汰。其算法的特点是：考虑了程序设计的局部性原理，有一定合理性，但页面的过去和未来走向无必然联系；需要跟踪记录每一页的使用情况，系统开销较大。
其算法实现过程：当有新的访问页面要进入时，首先判断内存容量是否为满，如果不满，再判断所要访问的页面是否在内存中，如果在，则命中输出，不需要将该页调入内存，如果不在，则将该页直接调入内存。如果内存已满，再判断所要访问的页面是否在内存中，如果在，则命中输出，不需要将该页调入内存，如果不在，则将选择最近一段时间最久未使用的页面予以淘汰（即将内存里的页号一一去判断其前最近在序列中的使用序号，序号最小者予以淘汰）。
一般来说LRU可以看作维护一个栈排序的过程，这里使用字典比较方便逻辑理解。替换的权重是时间度，依据时间度进行页面的更新输出，代码截图如下：
同样进行输入输出样例：
可以看到缺页中断率稍有优化，为10/12 = 0.83%
核心代码如下：
while(int(k) != -1):
n += 1
if len(lru) < 3:
m += 1
lru[k] = 0
frame.append(k)
print("发生更新，更新后页面：",frame)
else:
if k not in frame: # 缺页
m += 1
old_k = max(lru, key = lru.get) # 被替换的页面是时间度最多的的
frame[frame.index(old_k)] = k # 更新物理块
del lru[old_k]
lru[k] = 0 # 更新页面，时间度初始化为零
# print(lru)
print("发生更新，更新后页面：",frame)
print("被替换的页面：",old_k)
else:
print("发生命中，当前页面：",frame)
for key,value in lru.items():
if key == k: # 发生命中，即命中的时间度重置，非命中的时间度加一
lru[key] = 0
else: lru[key] = value + 1
# print(lru)
三、简单CLOCK置换算法
简单CLOCK置换算法的算法思想是 （1）为每页设置一位访问位，再将内存中所有页面通过链接指针链成一个循环队列。（2）当某页被访问时，其访问位被置1，表示该页最近使用过。（3）置换算法在选择一页淘汰时，只需循环检查各页的访问位：如果为1，则将该访问位置0，暂不换出；如果为0，则将该页换出，算法终止。
其算法实现过程：当有新的访问页面要进入时，首先判断内存容量是否为满，如果不满，再判断所要访问的页面是否在内存中，如果在，则命中输出，不需要将该页调入内存，如果不在，则将该页直接调入内存，同时将其访问位置1，同时指针指向修改位的下一位。如果内存已满，再判断所要访问的页面是否在内存中，如果在，则命中输出，不需要将该页调入内存，同时将其访问位置1。如果不在，则从指针开始依次进行循环判断，若访问位为1则跳过，同时将其置0，若访问位为0，则进行置换，同时将其访问位置0。
以输出和对索引值index的除余处理模拟循环队列的实现，进行物理块、记录位、指针的定义及初始化
简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描
同样进行输入输出样例：
可以看到缺页中断率稍有优化，为9/12 = 0.75%
核心代码如下：
while(int(k) != -1):
n += 1
if k not in frame:
tt = 0
m += 1
for i in range(len(frame)): # 第一轮查找
if clock[index] == 1:
clock[index] = 0
index = (index + 1) % 3
elif clock[index] == 0: # 找到
old_k = frame[index]
frame[index] = k
clock[index] = 1
tt = 1
index = (index + 1) % 3
break
if tt != 1: # 第一轮没有找到，查找第二轮
for i in range(len(frame)):
if clock[index] == 0:
old_k = frame[index]
frame[index] = k
clock[index] = 1
index = (index + 1) % 3
break
# print(clock)
print("发生更新，更新后页面：",frame)
print("被替换的页面：",old_k)
else:
print("发生命中，当前页面：",frame)
t = frame.index(k)
clock[t] = 1 # 发生命中，标志位重置为1
# index = (index + 1) % 3
# print(clock)
四、改进CLOCK置换算法
改进CLOCK置换算法的算法思想是 改进型Clock算法每次选择的淘汰页面除了最近未被使用过，最好还未被修改过（使置换代价尽可能小）。每页设置一个访问位A和一个修改位M。算法步骤第1步（第1轮扫描）：寻找第一类页面，将所遇到的第1个第一类页面作为淘汰页面，如果找不到，则转入第2步。第2步（第2轮扫描）：寻找第二类页面，将所遇到的第1个第二类页面作为淘汰页面，如果找不到，则转入第3步。在扫描期间，将所有扫描过的页面访问位置0。第3步：将指针返回到开始的位置，转第1步。算法特点：减少了磁盘I/O次数；但可能要经过多轮扫描
表3-1 改进CLOCK置换算法页的种类
第一类页面 A=0 M=0 最佳淘汰页面
第二类页面 A=0 M=1 次佳淘汰页面
第三类页面 A=1 M=0 该页可能再被访问
第四类页面 A=1 M=1 该页可能再被访问
其算法实现过程：当有新的访问页面要进入时，首先判断内存容量是否为满，如果不满，再判断所要访问的页面是否在内存中，如果在，则命中输出，不需要将该页调入内存，同时将访问位置1，修改位置1。如果不在，则将该页直接调入内存，同时将其访问位置1，修改位置0，同时指针指向修改位的下一位。如果内存已满，再判断所要访问的页面是否在内存中，如果在，则命中输出，不需要将该页调入内存，同时将其访问位置1，修改位置1。如果不在，则从指针开始依次进行循环判断，寻找A=0，M=0页面，将所遇到的第1此页面作为淘汰页面。如果找不到，则循环寻找A=0，M=1页面，在循环扫描期间，将所有扫描过的页面的访问位置0。若在一个循环内也没找到A=0，M=1页面，由于扫描过的页面的访问位置0，所以再进行寻找是否有A=0，M=0页面，若没有则必然有A=0，M=1页面进行置换。
和简单Clock算法不同的是增加了修改位的定义及初始化
分为三轮进行搜索：
使用相同页面访问序列进行输入输出样例：
可以看到缺页中断率为10/12 = 0.83%
核心代码如下：
while(int(k) != -1):
n += 1
if k not in frame: # 缺页，简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描）
tt = 0
m += 1
for i in range(len(frame)): # 第一轮查找
if clock[index] == 0 and update[index] == 0:
old_k = frame[index]
frame[index] = k
clock[index] = 1
update[index] = 1
tt = 1
index = (index + 1) % 3
break
if tt != 1: # 第一轮没有找到，查找第二轮
for i in range(len(frame)):
if clock[index] == 0 and update[index] == 1:
old_k = frame[index]
frame[index] = k
clock[index] = 1
update[index] = 1
index = (index + 1) % 3
tt = 1
break
clock[i] = 0 # 将所有扫描过的页面的访问位置0
if tt != 1: # 第二轮没有找到，查找最后一轮
if clock[index] == 0 and update[index] == 0:
old_k = frame[index]
frame[index] = k
clock[index] = 1
update[index] = 1
tt = 1
index = (index + 1) % 3
break
# print(clock)
print("发生更新，更新后页面：",frame)
print("被替换的页面：",old_k)
else:
print("发生命中，当前页面：",frame)
t = frame.index(k)
clock[t] = 1 # 发生命中，标志位重置为1
update[t] = 1
# index = (index + 1) % 3
# print(clock)