操作系统实验：内存页面置换算法对比分析

"山东大学操作系统实验要求学生模拟和分析内存页面置换算法，包括LRU、FIFO以及增强的二次机会（Eclock）算法。实验旨在深入理解存储管理、虚拟存储器的工作原理，以及提高编程和数据分析能力。实验环境中使用的是Intel Core i5-3210M CPU、4GB内存和500GB硬盘，运行XUbuntu Linux系统。实验步骤包括分析已有的LRU和FIFO算法，设计并实现增强二次机会算法，以及比较不同算法的性能。二次机会算法通过RefBit数组跟踪页面引用状态，而增强二次机会算法还引入了ModBit数组来记录页面是否被修改，优化替换策略。实验期望学生能够动态生成内存页面引用串，以便更全面地评估各种算法的性能。" 在操作系统中，内存页面置换算法是解决物理内存不足时，如何选择页面进行替换以实现虚拟存储的重要策略。本实验中涉及了三种常见的页面置换算法： 1. **FIFO（先进先出）算法**：按照页面进入内存的顺序进行替换，即最早进入内存的页面最先被淘汰。然而，FIFO算法容易引发Belady's异常，即增加物理内存时反而导致缺页次数增加。 2. **LRU（最近最少使用）算法**：淘汰最近最久未使用的页面。LRU通常表现优于FIFO，因为它优先替换长时间未使用的页面，这些页面在未来被再次访问的可能性较低。 3. **二次机会（Clock）算法**：通过一个RefBit数组记录页面引用状态，循环查找未被引用的页面进行替换。如果所有页面都被引用，则重置所有RefBit为0并重新开始查找。这种方法试图避免因频繁访问的页面被过早替换而产生的额外缺页。 4. **增强的二次机会（Eclock）算法**：在二次机会的基础上，增加了ModBit数组来标记页面是否被修改。在查找替换页面时，优先考虑未被引用且未被修改的页面，这样可以减少磁盘I/O操作，因为未修改的页面可以直接替换，而无需写回磁盘。 实验中，学生需要编写C++程序实现这些算法，并针对不同的内存页面引用串和实存帧数进行测试。此外，他们还需要统计和报告缺页次数、缺页率，并对比分析各种算法的性能差异。通过随机生成内存页面引用串，可以更准确地模拟实际应用中的行为，进一步评估算法的实际效果。 实验过程不仅考察了学生的算法实现能力，也锻炼了他们分析实验数据和理解存储管理机制的能力。通过这个实验，学生能够更深刻地理解虚拟存储器的工作原理，为今后的学习和研究打下坚实基础。