页面置换算法之LRU算法

Posted 2023-05-11

参考技术A

三种常见的页面置换算法:FIFO、LFU、LRU
参考：
缓存算法（页面置换算法）-FIFO、LFU、LRU

LRU（Least Recently Used，最近最少使用）算法根据数据的历史访问记录来进行淘汰数据，其核心思想是： 如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么在将来它被访问的可能性也很小 。也就是说，当限定的空间已存满数据时，应当把最久没有被访问到的数据淘汰。

假设 序列为 4 3 4 2 3 1 4 2
物理块有3个 则
首轮 4调入内存 4
次轮 3调入内存 3 4
之后 4调入内存 4 3
之后 2调入内存 2 4 3
之后 3调入内存 3 2 4
之后 1调入内存 1 3 2（因为最少使用的是4，所以丢弃4）
之后 4调入内存 4 1 3（原理同上）
最后 2调入内存 2 4 1

如果让我们设计一个LRU Cache的数据结构，它应该支持两个操作：

一种是采用数组来存储每个数据项，再对每个key关联一个时间戳，在cache中维护一个最大时间戳，其设计要点如下：

另一种是采用hashmap+双向链表的数据结构，其设计要点如下：

对比上一节的两种设计思路，不难发现，设计1需要为每个key维护一个时间戳，而且set和get操作的时间复杂度都是O(n)。显而易见，随着数据量的增大，set和get操作的速度越来越慢。而设计2通过采用hashmap+双向链表，set和get操作的时间复杂度只需O(1)，下面给出设计2的具体实现。

运行结果为：

参考：
LRU Cache
LRU原理和Redis实现——一个今日头条的面试题

最近最少使用算法（LRU）——页面置换

原创

---

上一篇博客写了先进先出算法（FIFO）——页面置换：http://www.cnblogs.com/chiweiming/p/9058438.html

此篇介绍最近最少使用算法（LRU）——页面置换，与上一篇的代码大同小异，只是用了不同的方法从页面队列

中选出需要淘汰出的页面。（题目阐述看我上一篇博客）

还是辣个栗子：

现内存页面为：　　15　　31　　24　　17　　18　　5　　9　　26　　4　　21

部分地址流为：　　4　　31　　24　　17　　18　　26　　17　　5　　5　　9　　31　　18　　18　　21　　15　　8

页面 8 为下一个需要调入进去的页面，由于内存页面已满，需要使用LRU调出一个最近未被使用页面。

寻找淘汰页面的方式如下：

从页面 8 往前看，遇到与内存页面中相同的页面即把它移除（即不淘汰它），等到移除了 max_page-1 个页面之

后，剩下最后一个未被移除的页面即是需要淘汰出去的。

在上面例子中，依次将 15 21 18 31 9 5 17 26 24 （已经9个），剩下最后一个 4 即是需要淘汰出去的页面。

可以用这样的伪代码去实现：用一个数组 flag 来备份内存页块号中的页面，从 8 往前看，依次将之前的数和数组

里的数比较，若匹配成功，则将数组里面此位置 -1 ，等到置了 max_page-1 个 -1 后跳出；再从 flag 中筛选出不

是 -1 的值（即要淘汰出的页面），再拿此值和当前内存页面队列中的值比较，匹配成功则将此页面调出去，将页

面 8 调入。

#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<stdlib.h>
#define max_page 10    //内存页面数

int Page[320]={0};    //虚拟存储区,存储320条指令,32个页面 
int Page_flu[320]={0};    //存储320个页地址流
int count=0;    //计算随机产生的指令条数
double lack_page=0;    //记录缺页数 
int count_page=max_page;     //计算队列空页面个数 
int flag[max_page+1]={0};    //存储内存块中的页面号 
int ff=0;

struct Memo{    //用结构体存储内存页面块
    int num;     //给每个页面编号,方便将其从队列中找到并调出
    int a;
    struct Memo *next;
};

int Judge_Page(int value){    //输入指令,返回指令对面的页面号 
    return value/10;
}

int scan_queen(struct Memo *hear,int value){    //value代表页面号,扫描队列,缺页返回0,否则返回1
    struct Memo *move;
    move=hear->next;
    while(move!=NULL){
        if(move->a==value){
            return 1;
        }
        move=move->next;
    }
    return 0;
}

void print(struct Memo *hear){    //输出内存页面
    struct Memo *move;
    move=hear->next;
    printf("当前页面队列为： ");
    while(move!=NULL){
        printf("%d ",move->a);
        move=move->next;
    }
    printf("\\n");
}

void insert(struct Memo *hear,int value,int ZL,int x){    //将页面value调入内存,ZL为对应指令,x为页面value在页地址流中的序号 
    if(count_page>=1){    //内存页面空间充足
        struct Memo *move;
        move=hear->next;
        while(move->a!=-1){
            move=move->next;
        }
        move->a=value;    //将页面调入
        count_page--;
        printf("页面 %d 被调入————对应指令为: %d \\n",value,ZL);
    }
    else{    //内存空间不足，使用LRU选出需调出的页面后，将页面value后调入
        struct Memo *move;
        move=hear->next;
        int i=0;
        for(i=1;i<=max_page;i++){
            flag[i]=move->a;    //将内存块中的页面号放入flag备份 
            move=move->next; 
        }
        int t=0;
        for(t=x-1;t>=0;t--){    //循环结束后flag里面只有一个不为0,把此页面调出即可
            for(i=max_page;i>=1;i--){
                if(Page_flu[t]==flag[i]){
                    flag[i]=-1;
                    ff++;
                    break;
                }
            }
            if(ff==max_page-1){
                break;
            }
        }
        for(i=1;i<=max_page;i++){    //选出被淘汰出的页面号
            if(flag[i]!=-1){
                ff=flag[i];    //备份要淘汰出的页面号 
                break;
            }
        }
        move=hear->next;
        while(move!=NULL){
            if(move->a==ff){
                int j=0;
                printf("前20个地址流为："); 
                for(j=x-20;j<=x-1;j++){
                    printf("%d ",Page_flu[j]);
                }
                printf("\\n");
                printf("页面 %d 被调出,页面 %d 被调入----指令为：%d \\n",ff,value,ZL);
                move->a=value;    //将页面插入
                break; 
            }
            move=move->next;
        }
    }
    
    ff=0;
    print(hear);    //调入后输出内存队列 
}

void LRU(struct Memo *hear){
    int i=0;
    for(i=0;i<=319;i++){    //循环扫描页面
        if( scan_queen(hear,Page_flu[i])==0){    //判断是否缺页
            lack_page++;
            insert(hear,Page_flu[i],Page[i],i);    //缺页将页面调入内存
        }
        else{    //不缺页
            printf("指令 %d 对应页面 %d 已在内存\\n",Page[i],Page_flu[i]);
        }
        //不缺页无需操作
    }
}

void Pro_Page(){    //形成页地址流函数 
    int m=0;    //在[0,319]的指令地址之间随机选取一起点m
    m=rand()%320;
    
    Page[count]=m;
    count++;
    if(count==320){
        return;
    }
    int m_=0;    //在前地址[0,m+1]中随机选取一条指令并执行
    m_=rand()%(m+1);
    
    Page[count]=m_;
    count++;
    if(count==320){
        return;
    }
    Page[count]=m_+1;
    count++;
    if(count==320){
        return;
    }
    int m__=0;
    m__=(m_+2)+rand()%( 319-(m_+2)+1 );    //在后地址[m_+2,319]的指令地址之间随机选取一条指令并执行
    Page[count]=m__;
    count++;
    if(count==320){
        return;
    }
    
    Pro_Page();
}

void Flu(){    //将指令转换为页地址流
    int i=0;
    for(i=0;i<=319;i++){
        Page_flu[i]=Judge_Page( Page[i] );
    }
}

int main(){
    struct Memo Stu[max_page+1];
    struct Memo *hear;
    hear=&Stu[0];
    //*************************************
    int i=0;
    for(i=0;i<=max_page;i++){    //形成内存页面队列
        if(i==max_page){
            Stu[i].a=-1;
            Stu[i].next=NULL;
            Stu[i].num=i;
            break;
        }
        Stu[i].next=&Stu[i+1];
        Stu[i].a=-1;
        Stu[i].num=i;
    }
    //*************************************
    srand(time(0));    //放在Pro_Page函数外面
    Pro_Page();    //形成页地址流
    Flu();    //形成页地址流 
    /*
    printf("页地址流：\\n");
    for(i=0;i<=319;i++){    //输出页地址流
        printf("%d ",Page[i]);
        if(i%3==0 && i!=0){
            printf("\\n");
        }
    }
    printf("\\n");
    */
    //*************************************
    
    LRU(hear);
    printf("缺页次数为： %0.0lf\\n",lack_page);
    printf("命中率为：%lf\\n",1-lack_page/320);
    
    return 0;
}

（部分结果截图）

08:31:06

2018-05-22