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操作系统的三种页面置换算法

原创作者：原创，在原创作者的基础上进行了改进，（最佳置换，原作者第十行应该是ProcessBlocks[flag][j] 第62行j参数取值不对 第64行temp参数错误），三种算法均已实现

实验目的

编程模拟实现存储器页面置换的常用算法，调试分析相关存储器管理程序，加深对存储器页面置换常用算法的理解和实现技巧

实验内容

1、 自定义存储器管理有关的数据结构；

2、 依据最佳置换算法（Optimal）、先进先出置换算法（FIFO）、最近最久未使用算法（LRU）原理，编写对应函数，模拟系统的存储器页面置换功能；

3、 为了更好地模拟和评价算法的性能，允许用户自行指定可用页块数并输入需访问的页面号序列；

4、 统计以上算法实际需要的总页面数、缺页中断次数以及它们的缺页率；

5、 比较/分析以上算法的置换性能，并作出自己的评价

实验步骤

定义变量

public class 页面置换算法 {
    private static int MaxPage_num = 100;
    private static int[] PageView = new int[MaxPage_num];// 访问页面顺序
    private static int[][] Blocks = new int[MaxPage_num][MaxPage_num];// 物理块
    private static int[] PageCount = new int[MaxPage_num];// 记录权重

    private static int PageNum;// 访问页面个数
    private static int BlockNum;// 物理块个数

    //	private static int temp = 0;
    //	private static int flag = 0;
    private static int MissingPageNum;// 缺页个数
    private static double MissingPageRate;// 缺页率

    private static boolean found;// 判断是否找到

    private static int j;
    private static int i;
    private static int k;

    private static int NULL = -1;// 缺页

    // 动态输入物理块、页面、访问页面顺序
    public static void input() {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入页面个数");
        PageNum = sc.nextInt();
        System.out.println("请输入物理块个数");
        BlockNum = sc.nextInt();
        System.out.println("请输入页面访问顺序");
        for (int i = 0; i < PageNum; i++) {
            PageView[i] = sc.nextInt();
        }
    }

输出函数

 // 输出结果
    public static void output() {
        // 输出访问页面
        System.out.print("访问页面:");
        for (i = 0; i < PageNum; i++) {
            System.out.print(PageView[i] + " ");
        }
        System.out.println();
        // 输出物理块
        System.out.println("物理块");
        for (int j = 0; j < BlockNum; j++) {
            for (int i = 0; i < PageNum; i++) {
                if (Blocks[i][j] == NULL)
                    System.out.print("  ");
                else
                    System.out.print(Blocks[i][j] + " ");
            }
            System.out.println(" ");
        }
        MissingPageRate = (double) MissingPageNum / PageNum;
        System.out.println();
        System.out.println("总页面数" + PageNum + "缺页次数" + MissingPageNum + "缺页率" + MissingPageRate + "%");
    }

初始化

    // 初始化物理块
    public static void original() {
        for (i = 0; i < PageNum; i++) {
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                Blocks[i][j] = NULL;
            }
        }
        MissingPageNum = 1;
    }

先进先出

 // 先进先出
    public static void FIFO() {
        original();

        Blocks[0][0] = PageView[0];
        int temp = 0, flag = 0;// temp标记本列，flag标记上一列
        for (i = 0; i < PageNum; i++) {
            // 如果页已进入物理块跳出循环
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                if (PageView[i] == Blocks[flag][j]) {
                    break;           
                }
            }

            //如果不存在
            if (j == BlockNum) {
                for (k = 0; k < BlockNum; k++) {
                    if (Blocks[flag][k] == NULL) {
                        break;
                    } else {
                        Blocks[i][k] = Blocks[flag][k];
                    }
                }
                temp++;
                temp = temp % BlockNum;
                Blocks[i][temp] = PageView[i];
                MissingPageNum++;
                flag = i;
            } else {
                continue;
            }
        }

        output();
    }

最佳置换

// 最佳置换
public static void OPT() {
    original();

    Blocks[0][0] = PageView[0];
    int temp, flag = 0;

    for (i = 0; i < PageNum; i++) {
        // 不缺页
        for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
            if (PageView[i] == Blocks[flag][j]) {
                break;
            }
        }
        if (j != BlockNum) { // 代表页面已经在内存块中不缺页
            continue;
        }
        // 缺页
        for (k = 0; k < BlockNum; k++) {
            if (Blocks[flag][k] == NULL) {
                break;
            } else {
                Blocks[i][k] = Blocks[flag][k];
            }
        }
        // 页面选择，满和不满
        // 缺页时物理块未满
        for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
            if (Blocks[i][j] == NULL) {
                Blocks[i][j] = PageView[i];
                MissingPageNum++;
                flag = i;
                break;
            }
        }
        if (j != BlockNum) {
            continue;
        }

        // 缺页时内存块已满
        temp = 0;
        for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
            // 向后遍历，寻找最久不访问
            for (k = i + 1; k < PageNum; k++) {
                // 寻找最长时间内不被访问的页面 k是内存页面序列下标 存进PageCount数组内
                if (Blocks[i][j] == PageView[k]) {
                    PageCount[j] = k;//找到,记录权重
                    break;
                }
            }
            // 剩下的页面没有和当前物理块一样的，将其权重设为最大值
            if (k == PageNum) {
                PageCount[j] = PageNum;
            }
        }

        //			找出权重最大的块
        for(int a=1;a<BlockNum;a++) {
            if(PageCount[a]>PageCount[temp])
                temp=a;
        }

        Blocks[i][temp] = PageView[i];
        MissingPageNum++;
        flag = i;
    }
    output();
}

最近最久未使用

// 最近最久未使用
public static void LRU() {
    original();

    Blocks[0][0] = PageView[0];
    PageCount[0] = 0;
    int temp = 0, flag = 0;// temp标记本列，flag标记上一列
    for (i = 0; i < PageNum; i++) {
        // 不缺页
        for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
            if (PageView[i] == Blocks[flag][j]) {
                PageCount[j] = i;
                break;
            }
        }
        if (j != BlockNum)
            continue;

        //缺页
        for (k = 0; k < BlockNum; k++) {
            if (Blocks[flag][k] == NULL) {
                break;
            } else {
                Blocks[i][k] = Blocks[flag][k];
            }
        }
        //缺页时物理块有空余
        for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
            if (Blocks[i][j] == NULL) {
                Blocks[i][j] = PageView[i];
                PageCount[j] = i;
                MissingPageNum++;
                flag = i;
                break;
            }
        }
        if (j != BlockNum) {
            continue;
        }
        //缺页时物理块没空余
        temp = 0;
        for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
            if (PageCount[temp] > PageCount[j]) {
                temp = j;
            }
        }
        Blocks[i][temp] = PageView[i];
        PageCount[temp] = i;
        MissingPageNum++;
        flag = i;
    }
    output();
}

主函数

 public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            input();
            System.out.println("1.先进先出 2.最佳置换算法 3.最近最久未使用 4.退出");
            int c = sc.nextInt();
            switch (c) {
                case 1:
                    FIFO();
                    break;
                case 2:
                    OPT();
                    break;
                case 3:
                    LRU();
                    break;
                case 4:
                    System.exit(0);
                default:
                    System.out.println("输入错误 重新输入");
                    break;
            }
        }
    }
}

完整代码

package 操作系统实验;

import java.util.Scanner;

public class 页面置换算法 {
    private static int MaxPage_num = 100;
    private static int[] PageView = new int[MaxPage_num];// 访问页面顺序
    private static int[][] Blocks = new int[MaxPage_num][MaxPage_num];// 物理块
    private static int[] PageCount = new int[MaxPage_num];// 记录权重

    private static int PageNum;// 访问页面个数
    private static int BlockNum;// 物理块个数

    //	private static int temp = 0;
    //	private static int flag = 0;
    private static int MissingPageNum;// 缺页个数
    private static double MissingPageRate;// 缺页率

    private static boolean found;// 判断是否找到

    private static int j;
    private static int i;
    private static int k;

    private static int NULL = -1;// 缺页

    // 动态输入物理块、页面、访问页面顺序
    public static void input() {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        System.out.println("请输入页面个数");
        PageNum = sc.nextInt();
        System.out.println("请输入物理块个数");
        BlockNum = sc.nextInt();
        System.out.println("请输入页面访问顺序");
        for (int i = 0; i < PageNum; i++) {
            PageView[i] = sc.nextInt();
        }
    }

    // 输出结果
    public static void output() {
        // 输出访问页面
        System.out.print("访问页面:");
        for (i = 0; i < PageNum; i++) {
            System.out.print(PageView[i] + " ");
        }
        System.out.println();
        // 输出物理块
        System.out.println("物理块");
        for (int j = 0; j < BlockNum; j++) {
            for (int i = 0; i < PageNum; i++) {
                if (Blocks[i][j] == NULL)
                    System.out.print("  ");
                else
                    System.out.print(Blocks[i][j] + " ");
            }
            System.out.println(" ");
        }
        MissingPageRate = (double) MissingPageNum / PageNum;
        System.out.println();
        System.out.println("总页面数" + PageNum + "缺页次数" + MissingPageNum + "缺页率" + MissingPageRate + "%");
    }

    // 初始化物理块
    public static void original() {
        for (i = 0; i < PageNum; i++) {
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                Blocks[i][j] = NULL;
            }
        }
        MissingPageNum = 1;
    }

    // 先进先出
    public static void FIFO() {
        original();

        Blocks[0][0] = PageView[0];
        int temp = 0, flag = 0;// temp标记本列，flag标记上一列
        for (i = 0; i < PageNum; i++) {
            // 如果页已进入物理块跳出循环
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                if (PageView[i] == Blocks[flag][j]) {
                    break;           
                }
            }

            //如果不存在
            if (j == BlockNum) {
                for (k = 0; k < BlockNum; k++) {
                    if (Blocks[flag][k] == NULL) {
                        break;
                    } else {
                        Blocks[i][k] = Blocks[flag][k];
                    }
                }
                temp++;
                temp = temp % BlockNum;
                Blocks[i][temp] = PageView[i];
                MissingPageNum++;
                flag = i;
            } else {
                continue;
            }
        }

        output();
    }

    // 最佳置换
    public static void OPT() {
        original();

        Blocks[0][0] = PageView[0];
        int temp, flag = 0;

        for (i = 0; i < PageNum; i++) {
            // 不缺页
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                if (PageView[i] == Blocks[flag][j]) {
                    break;
                }
            }
            if (j != BlockNum) { // 代表页面已经在内存块中不缺页
                continue;
            }
            // 缺页
            for (k = 0; k < BlockNum; k++) {
                if (Blocks[flag][k] == NULL) {
                    break;
                } else {
                    Blocks[i][k] = Blocks[flag][k];
                }
            }
            // 页面选择，满和不满
            // 缺页时物理块未满
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                if (Blocks[i][j] == NULL) {
                    Blocks[i][j] = PageView[i];
                    MissingPageNum++;
                    flag = i;
                    break;
                }
            }
            if (j != BlockNum) {
                continue;
            }

            // 缺页时内存块已满
            temp = 0;
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                // 向后遍历，寻找最久不访问
                for (k = i + 1; k < PageNum; k++) {
                    // 寻找最长时间内不被访问的页面 k是内存页面序列下标 存进PageCount数组内
                    if (Blocks[i][j] == PageView[k]) {
                        PageCount[j] = k;//找到,记录权重
                        break;
                    }
                }
                // 剩下的页面没有和当前物理块一样的，将其权重设为最大值
                if (k == PageNum) {
                    PageCount[j] = PageNum;
                }
            }

            //			找出权重最大的块
            for(int a=1;a<BlockNum;a++) {
                if(PageCount[a]>PageCount[temp])
                    temp=a;
            }

            Blocks[i][temp] = PageView[i];
            MissingPageNum++;
            flag = i;
        }
        output();
    }

    // 最近最久未使用
    public static void LRU() {
        original();

        Blocks[0][0] = PageView[0];
        PageCount[0] = 0;
        int temp = 0, flag = 0;// temp标记本列，flag标记上一列
        for (i = 0; i < PageNum; i++) {
            // 不缺页
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                if (PageView[i] == Blocks[flag][j]) {
                    PageCount[j] = i;
                    break;
                }
            }
            if (j != BlockNum)
                continue;

            //缺页
            for (k = 0; k < BlockNum; k++) {
                if (Blocks[flag][k] == NULL) {
                    break;
                } else {
                    Blocks[i][k] = Blocks[flag][k];
                }
            }
            //缺页时物理块有空余
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                if (Blocks[i][j] == NULL) {
                    Blocks[i][j] = PageView[i];
                    PageCount[j] = i;
                    MissingPageNum++;
                    flag = i;
                    break;
                }
            }
            if (j != BlockNum) {
                continue;
            }
            //缺页时物理块没空余
            temp = 0;
            for (j = 0; j < BlockNum; j++) {
                if (PageCount[temp] > PageCount[j]) {
                    temp = j;
                }
            }
            Blocks[i][temp] = PageView[i];
            PageCount[temp] = i;
            MissingPageNum++;
            flag = i;


        }
        output();
    }

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            input();
            System.out.println("1.先进先出 2.最佳置换算法 3.最近最久未使用 4.退出");
            int c = sc.nextInt();
            switch (c) {
                case 1:
                    FIFO();
                    break;
                case 2:
                    OPT();
                    break;
                case 3:
                    LRU();
                    break;
                case 4:
                    System.exit(0);
                default:
                    System.out.println("输入错误 重新输入");
                    break;
            }
        }
    }

}

运行结果

总结

通过页面置换算法程序的编写，最后三次相同物理块与访问次序输出比较，最佳置换算法选择以后永不使用的页面，以便保证最低的缺页率。先进先出算法在分配更多的物理块时反而会造成更高的缺页率。最近最久未使用算法，性能更好