页面置换算法的模拟实现

页面置换算法是操作系统中的一个重要概念，用于管理内存中的页面。常见的页面置换算法有FIFO、LRU和OPT等。下面是三种算法的模拟实现：

1. FIFO算法

FIFO算法是最简单的页面置换算法，它按照页面进入内存的顺序进行置换。具体实现可以使用一个队列来维护内存中页面的顺序，当需要置换页面时，将队列头部的页面置换出去即可。

# 假设内存大小为3，页面序列为[1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5]
memory = []
page_faults = 0
for page in [1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5]:
    if page not in memory:
        page_faults += 1
        if len(memory) < 3:
            memory.append(page)
        else:
            memory.pop(0)
            memory.append(page)
print("FIFO算法缺页率为：", page_faults / 12)

2. LRU算法

LRU算法是一种比较常用的页面置换算法，它根据页面最近被访问的时间进行置换。具体实现可以使用一个字典来维护每个页面最近被访问的时间，当需要置换页面时，选择最近被访问时间最早的页面进行置换。

# 假设内存大小为3，页面序列为[1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5]
memory = {}
page_faults = 0
time = 0
for page in [1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5]:
    time += 1
    if page not in memory:
        page_faults += 1
        if len(memory) < 3:
            memory[page] = time
        else:
            # 找到最近被访问时间最早的页面
            min_time_page = min(memory, key=memory.get)
            memory.pop(min_time_page)
            memory[page] = time
    else:
        memory[page] = time
print("LRU算法缺页率为：", page_faults / 12)

3. OPT算法

OPT算法是一种理论上最优的页面置换算法，它根据页面未来的使用情况进行置换。具体实现需要预测每个页面未来的使用情况，这在实际中是不可能的，因此OPT算法只能作为一种理论参考。

# 假设内存大小为3，页面序列为[1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5]
memory = []
page_faults = 0
for i, page in enumerate([1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5]):
    if page not in memory:
        page_faults += 1
        if len(memory) < 3:
            memory.append(page)
        else:
            # 找到未来最长时间内不再使用的页面
            max_future_index = -1
            max_future_page = -1
            for m in memory:
                if m not in [p for p in [1, 2, 3, 4, 5][i+1:]]:
                    max_future_index = len([p for p in [1, 2, 3, 4, 5][i+1:] if p == m])
                    max_future_page = m
            if max_future_page != -1:
                memory.remove(max_future_page)
                memory.append(page)
    else:
        continue
print("OPT算法缺页率为：", page_faults / 12)