最近最久未使用（LRU）頁面置換演算法原理及模擬實現

FIFO演算法的效能較差，它所依據的條件是各個頁面調入記憶體的時間，而頁面調入的先後並不能反映頁面的使用狀況。最近最久未使用（LRU）的頁面置換演算法是根據頁面調入記憶體後的使用情況做出決策的。由於無法預測各頁面將來的使用情況，只能利用“最近的過去”作為“最近的將來”的近似，因此，LRU置換演算法是選擇最近最久未使用的頁面予以淘汰。該演算法賦予每個頁面一個訪問欄位，用來記錄一個頁面自上次被訪問以來所經歷的時間t。當需要淘汰一個頁面時，選擇現有也面中t值最大的，即最近最久未使用的頁面予以淘汰。

LRU演算法的硬體支援

LRU演算法雖然是一種比較好的演算法，但是要求系統有較多的支援硬體。為了瞭解一個程式在記憶體中的各個頁面各有多少時間未被程式訪問，以及如何快速得知道哪一頁是最近最久未使用的頁面，須有暫存器和棧兩類硬體之一的支援。
1）暫存器
為了記錄某程式在記憶體中各頁的使用情況，須為每個記憶體中的頁面配置一個移位暫存器，可表示為

當程式訪問某物理塊時，要將相應的暫存器的Rn−1位置成1。此時，定時訊號將每隔一定時間將暫存器右移一位。如果我們把n位暫存器的數看作是一個整數，那麼，具有最小數值的暫存器所對應的頁面，就是最近最久未使用的頁面。
2）棧
可利用一個特殊的棧保持當前使用的各個頁面的頁面號。每當程式訪問某頁面是，便將該頁面的頁面號從棧中移出，將它壓入棧頂。因此，棧頂始終是最近最久未使用頁面的頁面號。

程式碼模擬

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;
class LRU
{
public:
    LRU()
    {
        siz=0;
    }
    bool isOutofBoundary()
    {
        if(siz>=N)return true;
        return false;
    }
    int indexOfElement(int o)
    {
        for(int i=0; i<N; i++)
        {
            if(o==a[i])
                return i;
        }
        return -1;
    }
    void push(int o)
    {
        int t=-1;
        if(!isOutofBoundary()&&indexOfElement(o)==-1)
        {
            a[siz]=o;
            siz++;
        }
        else if(isOutofBoundary()&&indexOfElement(o)==-1)
        {
            for(int i=0; i<siz-1; i++)
            {
                a[i]=a[i+1];
            }
            a[siz-1]=o;
        }
        else
        {
            t=indexOfElement(o);
            for(int i=t; i<siz-1; i++)
            {
                a[i]=a[i+1];
            }
            a[siz-1]=o;
        }
    }
    void showMemoryBlock()
    {
        printf("now memory use:\n");
        for(int i=0; i<siz; i++)
        {
            printf(i==siz-1?"%d\n":"%d ",a[i]);
        }
    }
private:
    int N=5;
    int a[5],siz;
};
int main()
{
    int iter[]= {4,7,0,7,1,0,1,2,1,2,6};
    LRU lru;
    printf("%d %d %d\n",sizeof(iter),sizeof(int),sizeof(iter)/sizeof(int));
    for(int i=0; i<sizeof(iter)/sizeof(int); i++)
    {
        lru.push(iter[i]);
        lru.showMemoryBlock();
    }
    return 0;
}

輸出結果：

now memory use:
4
now memory use:
4 7
now memory use:
4 7 0
now memory use:
4 0 7
now memory use:
4 0 7 1
now memory use:
4 7 1 0
now memory use:
4 7 0 1
now memory use:
4 7 0 1 2
now memory use:
4 7 0 2 1
now memory use:
4 7 0 1 2
now memory use:
7 0 1 2 6

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