页面置换算法详解：FIFO, LRU & OPT实现与性能比较

在本实验报告中，针对操作系统课程，学生蔡丽芝研究了三种页面置换算法：FIFO（先进先出）、LRU（最近最少使用）和OPT（最不经常使用）。实验的目的是实现这些算法并评估它们在处理内存管理中的性能。 首先，页面置换算法是解决内存不足时，如何高效地在内存中选择淘汰已访问过但不再需要的页面，以便为新请求的页面腾出空间的技术。FIFO算法简单直观，总是淘汰最早进入内存的页面；LRU算法则是根据页面最近的访问频率进行淘汰，优先替换长时间未被访问的页面；而OPT算法更复杂，它考虑了页面未来的访问情况，淘汰的是那些未来最不可能再次访问的页面。 为了实现这些算法，定义了一个名为`page`的结构体，包含了页面的最近使用时间和未来可能的使用时间点，以及一个值`value`。LRU算法的`LRU_victim`函数通过比较页面的使用时间来确定应被淘汰的页面，而OPT算法则需判断页面是否存在，若不存在则增加页面故障计数，当有空闲内存时，将新的页面插入，否则选择未来使用时间最晚的页面替换。 实验结果显示，虽然理论上这三种算法在某些情况下可能表现一致，但在实际应用中，FIFO可能会频繁地淘汰刚访问过的页面，而LRU倾向于保留最近被访问过的页面，OPT则更注重长期的使用趋势。通过比较理论输出和程序输出，可以看到不同算法在实际运行中的行为差异。 在页面置换过程中，减少开销的方法之一是使用脏位技术。通过为每个页面添加一个脏位，系统可以跟踪哪些页面被修改过。这样，在淘汰页面时，只有那些未被修改的页面才需要写回磁盘，从而减少了不必要的I/O操作，降低了开销。 这个实验让学生深入了解了页面置换算法在操作系统中的关键作用，并通过实践提高了对内存管理和性能优化的理解。同时，通过对比不同算法的优缺点，展示了理论与实际操作之间的联系。