C 语言 LRU 页替换算法

在本文中，我们将讨论 C 语言中的LRU页面替换及其伪代码。

任何页面替换算法的主要目标是减少页面错误的数量。LRU页面替换算法在需要新页面时，用新页面替换最不常使用的页面。该方法基于这样的理念：在所有页面中，最不常使用的页面在很长一段时间内都不会被使用。它是一种流行且成功的页面替换方法。

LRU页面替换算法是如何工作的？

LRU 是 **Least Recently Used**（最近最少使用）的缩写。顾名思义，该算法基于这样的原则：每当发生页面错误时，就会用新页面替换最近最少使用的页面。因此，最长时间内处于空闲状态的内存页面（相对于所有其他页面）将被替换。LRU分页是使用LRU页面替换方法进行的实践。

当正在使用的程序尝试访问主内存（RAM）中不存在的内存页面时，会发生页面错误。另一方面，如果该页面已存在于内存中，则称为页面命中。在发生页面错误时，LRU页面替换方法就会介入。

操作系统中LRU算法的伪代码

假设 s 是主内存的页面存储容量，page 是当前存在的所有页面的列表。

1. 遍历引用的页面。
   • 如果当前页面已在 pages 中，则将其删除。
   • 将当前页面添加到 pages 列表中。
   • 增加页面命中次数。
2. else
   • 增加页面错误次数。
   • 如果 pages 中的页面数少于其容量，则
   • 将当前页面添加到 pages 中。
3. 否则
   • 如果必要，从 pages 中删除第一个页面。
   • 在 pages 的末尾追加当前页面。
4. 返回页面命中和页面错误的总数。

C语言LRU页面替换算法程序

输出

Enter number of frames: 3
Enter number of pages: 10
Enter reference string: 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3

Current frames: 7	-1	-1	
Current frames: 7	0	-1	
Current frames: 7	0	1	
Current frames: 2	0	1	
Current frames: 2	0	1	
Current frames: 3	0	1	
Current frames: 3	0	4	
Current frames: 3	2	4	
Current frames: 3	2	4	
Current frames: 3	2	4	

Total Page Faults = 7

复杂性分析

时间复杂度

set 和 map 操作的最坏时间复杂度为O(n)，但O(n)是主导项。平均时间复杂度为O(1)。

空间复杂度

O(capacity) 是一个常数，它根据输入数组的大小和内存缓冲区而变化。

LRU页面替换算法的优点

LRU页面替换算法具有以下优点：

1. 最不常使用的页面将被替换。
2. 该算法产生的页面错误比任何其他算法都少。
3. 该算法从不受Belady异常的影响。
4. 该算法可以进行全面分析。

LRU页面替换算法的缺点

LRU页面替换算法有以下缺点：

1. 该算法的实现很困难。
2. 该算法的执行可能需要硬件的大力支持。

结论

LRU页面替换机制用新页面替换内存中最近最少使用的页面。

根据LRU页面替换方法，RAM中最近最少使用的页面将在相当长的时间内不会被使用。

当程序尝试访问内存中不存在的内存页面时，会发生页面错误。

当程序尝试访问已存在于内存中的内存页面时，会发生页面命中。

与替代页面替换方法相比，LRU算法产生的页面错误最少。

LRU算法的运行需要硬件支持。