深入剖析虚拟内存页面置换算法：实现与分析

2023-11-13 21:38:54

操作系统-虚拟内存页面置换算法-详细设计附源码

引言

虚拟内存是一个计算机系统中的抽象层，它允许进程访问比实际物理内存更大的地址空间。通过使用页面置换算法，操作系统可以高效地在物理内存和辅助存储（如硬盘）之间移动页面，以实现这一目标。本文重点介绍三种广泛使用的页面置换算法：先进先出 (FIFO)、最佳置换 (OPI) 和最近最久未使用 (LRU)，并提供它们的详细实现和分析。

先进先出 (FIFO)

先进先出 (FIFO) 是一种简单的页面置换算法，它按先入先出原则替换页面。换句话说，当物理内存已满时，FIFO 会替换内存中最久未被访问的页面。

实现：

class FIFO:
    def __init__(self, page_frames):
        self.page_frames = page_frames
        self.queue = []

    def replace(self, page):
        if len(self.queue) == self.page_frames:
            self.queue.pop(0)
        self.queue.append(page)

最佳置换 (OPI)

最佳置换 (OPI) 算法通过选择未来最长时间不被访问的页面来替换页面。虽然 OPI 提供了最佳性能，但由于其需要知道未来的页面访问顺序，因此在实践中无法实现。

实现：

class OPI:
    def __init__(self, page_frames):
        self.page_frames = page_frames
        self.future_access = {}

    def replace(self, page):
        if len(self.future_access) == self.page_frames:
            victim_page = min(self.future_access, key=lambda p: self.future_access[p])
            del self.future_access[victim_page]
        self.future_access[page] = float('inf')

最近最久未使用 (LRU)

最近最久未使用 (LRU) 算法近似于 OPI，它通过选择最近最久未被访问的页面来替换页面。LRU 在实践中被广泛使用，因为它提供了良好的性能，并且可以高效地实现。

实现：

class LRU:
    def __init__(self, page_frames):
        self.page_frames = page_frames
        self.recent_used = OrderedDict()

    def replace(self, page):
        if len(self.recent_used) == self.page_frames:
            self.recent_used.popitem(last=False)
        self.recent_used[page] = datetime.now()