页面置换算法代码java

页面置换算法

在操作系统中，页面置换算法是一种用于管理虚拟内存的技术，它允许将内存中的页面（或者说是数据块）在物理内存和磁盘之间进行交换。当内存不足时，操作系统会根据特定的置换算法选择合适的页面将其换出到磁盘中，从而为新的页面腾出空间。

为什么需要页面置换算法？

在传统的操作系统中，内存是有限的资源。为了能够同时运行多个进程，操作系统引入了虚拟内存的概念。虚拟内存是一种将磁盘空间作为拓展内存的手段，它可以使每个进程都能够使用更多的内存。

然而，虚拟内存的实现需要将磁盘上的页面从磁盘读取到内存中。当内存不足时，操作系统需要选择合适的页面进行置换，以便为新的页面腾出空间。页面置换算法就是用于解决这个问题的重要技术。

常见的页面置换算法

先进先出（FIFO）

先进先出算法是最简单的页面置换算法之一。它总是选择最早进入内存的页面进行置换。

public class FIFO {
    private int[] pages;
    private int capacity;
    private int pointer;

    public FIFO(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.pages = new int[capacity];
        this.pointer = 0;
    }

    public void referencePage(int page) {
        if (!isPagePresent(page)) {
            pages[pointer] = page;
            pointer = (pointer + 1) % capacity;
            System.out.println("Page " + page + " is referenced and added to memory.");
        } else {
            System.out.println("Page " + page + " is already present in memory.");
        }
    }

    private boolean isPagePresent(int page) {
        for (int i = 0; i < capacity; i++) {
            if (pages[i] == page) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
}

最近最久未使用（LRU）

最近最久未使用算法是一种基于“时间局部性”原理的置换算法。它通过记录每个页面最后一次被访问的时间，当需要置换页面时，选择最久未使用的页面进行置换。

public class LRU {
    private int[] pages;
    private int capacity;
    private int[] timestamps;

    public LRU(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.pages = new int[capacity];
        this.timestamps = new int[capacity];
    }

    public void referencePage(int page) {
        int index = getPageIndex(page);
        if (index == -1) {
            int oldestPage = findOldestPage();
            index = getPageIndex(oldestPage);
            pages[index] = page;
            System.out.println("Page " + page + " is referenced and added to memory.");
        } else {
            System.out.println("Page " + page + " is already present in memory.");
        }
        timestamps[index] = System.currentTimeMillis();
    }

    private int getPageIndex(int page) {
        for (int i = 0; i < capacity; i++) {
            if (pages[i] == page) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

    private int findOldestPage() {
        int oldestTimestamp = timestamps[0];
        int oldestPage = pages[0];
        for (int i = 1; i < capacity; i++) {
            if (timestamps[i] < oldestTimestamp) {
                oldestTimestamp = timestamps[i];
                oldestPage = pages[i];
            }
        }
        return oldestPage;
    }
}

序列图

下面是使用序列图来描述FIFO算法和LRU算法的工作流程。

sequenceDiagram
    participant App
    participant Algorithm

    App -> Algorithm: referencePage(page)
    Algorithm -> Algorithm: isPagePresent(page)
    alt Page is not present
        Algorithm -> Algorithm: addPage(page)
        Algorithm -> App: "Page referenced and added to memory"
    else
        Algorithm -> App: "Page already present in memory"
    end

类图

下面是FIFO和LRU算法的类图。

classDiagram
    class Algorithm {
        +referencePage(page: int)
        -isPagePresent(page: int