页面置换算法 LRU & LFU 算法

页面置换算法介绍

评价一个页面替换算法好坏的标准主要有两个，一是命中率要高，二是算法要容易实现。要提高一个页面替换算法的命中率，首先要使这种算法能正确反映程序的局部性，其次是这种算法要能够充分利用主存中页面调度情况的历史信息，或者能够预测主存中将要发生的页面调度情况。 
　　页面替换算法主要用于如下几个地方： 
　　(1) 虚拟存储器中，主存页面（或程序段）的替换。 
　　(2) Cache中的块替换。 
　　(3) 虚拟存储器的快慢表中，快表的替换。 
　　(4) 虚拟存储器中，用户基地址寄存器的替换。 

LFU算法

    近期最少使用算法，即LFU算法（Least Frequently Used algorithm）。这种算法选择近期最少访问的页面作为被替换的页面。显然，这是一种非常合理的算法，因为到目前为止最少使用的页面，很可能也是将来最少访问的页面。该算法既充分利用了主存中页面调度情况的历史信息，又正确反映了程序的局部性。但是，这种算法实现起来非常困难，它要为每个页面设置一个很长的计数器，并且要选择一个固定的时钟为每个计数器定时计数。在选择被替换页面时，要从所有计数器中找出一个计数值最大的计数器。因此，通常采用如下一种相对比较简单的方法。

    核心思想：如果一个数据在最近一段时间内使用次数很少，那么在将来一段时间内被使用的可能性也很小“

    传统实现:

    

        1. 新加入数据插入到队列尾部（因为引用计数为1）；

        2. 队列中的数据被访问后，引用计数增加，队列重新排序；

        3. 当需要淘汰数据时，将已经排序的列表最后的数据块(访问次    数最少的块)删除。

    实现方式：

        可用一个小顶堆+hashmap,来实现；

       小顶堆对访问次数排序

       hashmap对每个缓存节点访问次数来更新

      改良版算法：Window-LFU（置换指定时间内，按照LFU规则排序淘汰数量）

     

  

        1）记录了过去W个访问记录；

        2）需要淘汰时，将W个访问记录按照LFU规则排序淘汰

        举例如下：

            假设历史访问记录长度设为9，缓存大小为3，图中不同颜色代表针对不同数据块的访问，同一颜色代表            针 对同一数据的多次访问。

            样例1：黄色访问3次，蓝色和橘色都是两次，橘色更新，因此缓存黄色、橘色、蓝色三个数据块

            样例2：绿色访问3次，蓝色两次，暗红两次，蓝色更新，因此缓存绿色、蓝色、暗红三个数据块

         需要维护一个队列，记录数据的访问流历史；需要排序。          

          Window-LFU只记录一部分的访问历史记录，不需要记录所有的数据访问历史，因此内存消耗和排序消耗都            比LFU要低。

LRU算法

     最久没有使用算法，即LRU算法（Least Recently Used algorithm）。这种算法把近期最久没有被访问过的页面作为被替换的页面。它把LFU算法中要记录数量上的"多"与"少"简化成判断"有"与"无"，因此，实现起来比较容易。 

     核心思想：如果在一段时间内长时间不访问的页面将来也不会访问

    传统实现原理：

        假设 序列为 4 3 4 2 3 1 4 2

        物理块有3个 则

        首轮 4调入内存 4

        次轮 3调入内存 3 4

        之后 4调入内存 4 3

        之后 2调入内存 2 4 3

        之后 3调入内存 3 2 4

        之后 1调入内存 1 3 2（因为最少使用的是4，所以丢弃4）

        之后 4调入内存 4 1 3（原理同上）

        最后 2调入内存 2 4 1

LRU算法扩展，可以看我的另一篇博文：

    http://my.oschina.net/manmao/blog/601698