C语言实现页面置换算法

在操作系统中，进程访问内存时，若访问的物理页不在内存中，就会出现缺页调度现象。为了解决这个问题，就需要使用页面置换算法。常用的页面置换算法包括FIFO和LRU，下面将详细讲解如何用C语言实现这两种算法。

一、使用FIFO算法实现页面置换

FIFO算法是一种最简单的内存置换算法，它是根据页面装入内存的时间先后次序决定淘汰的页面。先进先出(FIFO)算法的基本思路是，将已调入内存中的页面按照调入的顺序排列成一个队列，当需要再装入一个页面时，选择最先进入内存的页面予以淘汰。

FIFO算法的实现可以采用链表来存储页面的信息，每当需要置换页时，选择队首的页面进行置换。

typedef struct _page_entry { // 定义页面信息结构体
    int page_num; // 页面编号
    int time_of_arrival; // 页面装入时间
} page_entry;

page_entry page_table[PAGE_TABLE_SIZE]; // 存储页面信息的数组
int head = 0; // 记录队首位置
int tail = 0; // 记录队尾位置

接下来是实现FIFO算法的代码：

int fifo() {
    int victim = page_table[head].page_num; // 记录需要置换的页面
    head = (head + 1) % PAGE_TABLE_SIZE; // 队首指针后移一位
    return victim; // 返回需要置换的页面
}

二、使用LRU算法实现页面置换

LRU算法是最常用的内存置换算法之一，它是根据页面最近被访问的时间来选择置换页面。实现LRU算法需要记录每个页面最近被访问的时间，当需要进行页面置换时，选择最长时间未被访问的页面进行置换。

LRU算法的实现可以采用双向链表来存储页面的信息，每当需要置换页时，选择最久未使用的页面进行置换。

typedef struct _page_entry { // 定义页面信息结构体
    int page_num; // 页面编号
    struct _page_entry* prev; // 指向前一页面
    struct _page_entry* next; // 指向后一页面
    int last_access_time; // 页面最近被访问时间
} page_entry;

page_entry* page_table[PAGE_TABLE_SIZE]; // 存储页面信息的数组

接下来是实现LRU算法的代码：

int lru() {
    page_entry* p = page_table[0]; // 先将第一项作为替换对象
    for (int i = 1; i < PAGE_TABLE_SIZE; i++) { // 选择页面最久未使用的页面
        if (page_table[i]->last_access_time < p->last_access_time) {
            p = page_table[i];
        }
    }
    int victim = p->page_num; // 记录需要置换的页面
    // 删除需要置换的页面
    if (p->prev != NULL) {
        p->prev->next = p->next;
    }
    if (p->next != NULL) {
        p->next->prev = p->prev;
    }
    if (p == page_table[0]) {
        page_table[0] = p->next;
    }
    // 将需要置换的页面插入到队尾
    p->prev = page_table[PAGE_TABLE_SIZE - 2];
    p->next = NULL;
    if (page_table[PAGE_TABLE_SIZE - 2] != NULL) {
        page_table[PAGE_TABLE_SIZE - 2]->next = p;
    }
    page_table[PAGE_TABLE_SIZE - 2] = p;
    return victim; // 返回需要置换的页面
}

三、示例说明

示例一：使用FIFO算法实现页面置换

假设我们有5个页面{0, 1, 2, 3, 4}，内存中只有3个页面可以使用。假设进程访问的页面序列为{0, 1, 2, 3, 0, 1, 4, 0, 1, 2, 3, 4}，使用FIFO算法进行页面置换的过程如下：

当需要装载第一个页面0时，内存中没有页面，直接装入内存；
当需要装载第二个页面1时，同样直接装入内存；
当需要装载第三个页面2时，同样直接装入内存；
当需要装载第四个页面3时，由于内存中已经有了3个页面，需要淘汰最先进入内存的页面0，因此选择页面0进行置换，队列变为{1, 2, 3}；
当需要装载第五个页面0时，由于内存中已经有了3个页面，需要淘汰最先进入内存的页面1，因此选择页面1进行置换，队列变为{2, 3, 0}；
当需要装载第六个页面1时，由于页面1已经在内存中，不需要进行置换；
当需要装载第七个页面4时，由于内存中已经有了3个页面，需要淘汰最先进入内存的页面2，因此选择页面2进行置换，队列变为{3, 0, 4}；
当需要装载第八个页面0时，由于页面0已经在内存中，不需要进行置换；
当需要装载第九个页面1时，由于页面1已经在内存中，不需要进行置换；
10.当需要装载第十个页面2时，由于页面2已经被置换出去，需要将页面2重新装入到内存中，此时队列变为{0, 4, 2}；
11.当需要装载第十一个页面3时，由于页面3已经在内存中，不需要进行置换；
12.当需要装载第十二个页面4时，由于页面4已经在内存中，不需要进行置换。

经过上述步骤，最终内存中存储的页面为{2, 3, 4}，页面置换的次数为4次。

示例二：使用LRU算法实现页面置换

假设我们有5个页面{0, 1, 2, 3, 4}，内存中只有3个页面可以使用。假设进程访问的页面序列为{0, 1, 2, 3, 0, 1, 4, 0, 1, 2, 3, 4}，使用LRU算法进行页面置换的过程如下：

当需要装载第一个页面0时，内存中没有页面，直接装入内存；
当需要装载第二个页面1时，同样直接装入内存；
当需要装载第三个页面2时，同样直接装入内存；
当需要装载第四个页面3时，由于内存中已经有了3个页面，需要淘汰最久未使用的页面0，因此选择页面0进行置换，链表变为{1, 2, 3}；
当需要装载第五个页面0时，由于页面0已经在内存中，不需要进行置换，链表变为{1, 2, 3}；
当需要装载第六个页面1时，由于页面1已经在内存中，不需要进行置换，链表变为{2, 3, 1}；
当需要装载第七个页面4时，由于内存中已经有了3个页面，需要淘汰最久未使用的页面2，因此选择页面2进行置换，链表变为{3, 1, 4}；
当需要装载第八个页面0时，由于页面0已经在内存中，不需要进行置换，链表变为{3, 1, 4}；
当需要装载第九个页面1时，由于页面1已经在内存中，不需要进行置换，链表变为{3, 4, 1}；
10.当需要装载第十个页面2时，由于页面2已经被置换出去，需要将页面2重新装入到内存中，此时链表变为{1, 4, 2}；
11.当需要装载第十一个页面3时，由于页面3已经在内存中，不需要进行置换，链表变为{4, 2, 3}；
12.当需要装载第十二个页面4时，由于页面4已经在内存中，不需要进行置换，链表变为{2, 3, 4}。