模拟页面置换算法FIFO与LRU的实验分析

"操作系统实验四模拟页面置换算法" 在操作系统中，页面置换算法是虚拟存储管理的核心组成部分，它决定了如何在有限的物理内存中有效地管理多个进程的虚拟内存。本实验旨在让学生深入理解页面调度机制，并通过编程实践来比较不同置换算法的性能。实验主要涉及FIFO（先进先出）和LRU（最近最少使用）两种常见的页面置换算法。 FIFO算法是最简单的页面置换策略，其工作原理是当内存满时，选择最早进入内存的页面进行替换。然而，FIFO有一个著名的异常现象，即Belady现象。正常情况下，增加页面框的数量应该降低缺页率，但在某些特定的访问序列下，FIFO可能会出现增加页面框反而导致缺页次数增加的情况。这是由于FIFO仅基于页面的进入顺序做决策，而未考虑页面的使用频率。 LRU算法则更复杂且通常表现更好。它的核心思想是最近被使用的页面在未来最有可能再次被使用。因此，当需要替换页面时，LRU会选择最近最久未使用的页面。在实现LRU时，通常会使用数据结构如链表或哈希表来记录页面的使用情况，以便快速找到最久未使用的页面。 实验内容包括创建一个父进程和两个子进程。父进程生成随机的页面访问序列，子进程则按照FIFO和LRU策略进行页面调度。实验要求每个子进程记录页面置换过程，统计缺页和命中次数，进而计算缺页率和命中率。这有助于分析和比较两种算法的效率。 在数据结构设计上，实验使用了一个名为`one_frame`的结构体来记录页面信息，包括页面号、页面进入内存的时间以及最近使用的时间。此外，还有一个数组`Acess_Series`用于存储页面访问序列，`M_Frame`数组用于追踪内存中的页面状态，以及`frame_num`表示驻留集的大小。 实现过程中，可以编写两个子进程函数，分别实现FIFO和LRU算法。在FIFO中，只需维护一个队列按时间顺序存放页面，每次需要替换时弹出队首元素。而在LRU中，需要维护一个数据结构，例如双向链表，页面按照最近使用时间排序，每次访问页面时更新其位置并处理替换。 通过这次实验，学生不仅能掌握页面置换算法的理论知识，还能通过编程实践加深理解，同时锻炼了综合运用并发执行机制和内存管理技巧的能力。