一、概述

  在地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时，如果操作系统内存中没有空闲页面，则操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。下面介绍三种常见的页面置换算法。

二、最佳置换算法（OPT）

  OPT算法是当发生缺页时，选择以后永不使用的页面，或是在最长时间内不再被访问的页面。采用最佳置换算法通常可保证获得最低的缺页率，是一种理想情况下的页面置换算法，但实际上是不可能实现的，因为当缺页发生时，操作系统无法知道各个页面下一次是在什么时候被访问。
  其算法流程图如下图所示，首先判断当前访问的页面数是否小于物理块数，如果是则直接将页号载入内存。否则遍历还未访问过的页号，找到最长时间内不再被访问的页面并移出，移进访问的页号直到页号全部访问完毕。最后输出页面置换后的结果、缺页次数和缺页率。

三、先进先出置换算法（FIFO）

  OPT算法是当发生缺页时，选择以后永不使用的页面，或是在最长时间内不再被访问的页面。采用最佳置换算法通常可保证获得最低的缺页率，是一种理想情况下的页面置换算法，但实际上是不可能实现的，因为当缺页发生时，操作系统无法知道各个页面下一次是在什么时候被访问。
  其算法流程图如下图所示，首先判断当前访问的页面数是否小于物理块数，如果是则直接将一个页面载入内存，并且标记加一。否则就是物理块已满，然后移除标记数最大的块内页数，并访问下一个页号直到页号全部访问完毕。最后输出页面置换后的结果、缺页次数和缺页率。

四、最近最久未使用置换算法（LRU）

  当一个缺页中断发生时，LRU算法选择最近最长时间未访问过的页面予以淘汰，它认为过去一段时间内未访问过的页面，在最近的将来可能也不会被访问。该算法为每个页面设置一个访问字段，来记录页面自上次被访问以来所经历的时间，淘汰页面时选择现有页面中值最大的予以淘汰。适用于程序的局部性原理，在这种原理的情况下，如果一个程序经常访问，那么通过这种算法一般情况下就不会将常驻内存中的程序移除内存。
  其算法流程图如下图所示，首先判断当前访问的页面数是否小于物理块数，如果是则直接将一个页面载入内存，并且标记页号访问时间。否则移除时间记录最长的页号，并访问下一个页号直到页号全部访问完毕。最后输出页面置换后的结果、缺页次数和缺页率。

五、三种页面置换算法优缺点对比

算法	优点	缺点
最佳置换算法	可保证获得最低的缺页率	无法实现
先进先出置换算法	算法实现简单	性能较差，实际应用少
最近最久未使用置换算法	一般有较好的性能，实际应用多	需要寄存器和栈的硬件支持，会增加硬件成本

六、运行结果

（1）运行程序，首先输入物理块数，然后输入页面的个数及一组页号。

（2）可以看见最佳置换算法结果和缺页次数及缺页率。

（3）可以看见先进先出置换算法结果和缺页次数及缺页率。

（4）可以看见最近最久未使用置换算法结果和缺页次数及缺页率。

七、总结

  本次实验学习了几种不同的页面置换算法。最佳置换算法选择以后再也不用的页面，没有的话，选择以后最长时间不用的页面；先进先出置换算法基于程序的顺序执行特点选择到达内存最早的页面淘汰；最近最久未使用置换算法基于程序运行的局部性原理，淘汰最近以来最久未使用的页面。这几种页面置换算法各有优缺点。
  其中最佳置换算法性能最好，是一种理想情况下的页面置换算法，但无法实现；先进先出页面置换算法性能较差，因为它所依据的条件是各个页面调入内存的时间，而页面调入的先后不能反映页面的使用情况；最近最久未使用置换算法性能较好，是对页面调入内存后的使用情况做出决策的，但对硬件要求较高。

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