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分页存储管理算法模拟

分页存储管理将进程划分为固定大小的页，通过页表映射逻辑地址到物理帧，模拟时需处理地址转换及缺页中断，采用页面替换算法优化内存使用

分页存储管理算法模拟详解

分页存储管理是操作系统内存管理的核心机制之一,通过将逻辑地址划分为固定大小的页（Page），并将物理内存划分为相同大小的页框（Frame），实现逻辑地址到物理地址的映射，本文将详细模拟分页存储管理算法的工作流程，重点分析页面置换算法的实现与性能差异。

逻辑地址与物理地址
- 逻辑地址由页号（Page Number）和页内偏移量（Offset）组成，例如逻辑地址 0x03A4 可拆分为：
  - 页号 = 0x03（假设页大小为1KB，即偏移量占低10位）。
  - 偏移量 = 0xA4。
- 物理地址通过页表映射后生成,格式为：物理页框号 + 偏移量。
页表（Page Table）
- 页表是存储逻辑页号到物理页框号映射的数据结构,每个页表项（PTE）包含：
  - 有效位（Valid）：标记页是否在内存中。
  - 修改位（Dirty）：标记页是否被修改过。
  - 引用位（Referenced）：标记页是否被访问过。
  - 物理页框号（Frame Number）：实际存储该页的物理内存位置。

当内存已满且需要加载新页时,操作系统需选择一个页替换出去，以下是三种经典算法的模拟流程：

算法	核心思想	模拟步骤
FIFO	替换最早进入内存的页	维护队列记录页的加载顺序。替换队首页。
LRU	替换最近最久未使用的页	维护计数器记录页的最后一次访问时间。替换时间最小的页。
OPT	替换未来最长时间不被访问的页	预读页面访问序列。选择未来最晚出现的页。

假设：

步骤	访问页	页表状态	缺页？	缺页次数
1	7	[7, -, -]	是	1
2	0	[7, 0, -]	是	2
3	1	[7, 0, 1]	是	3
4	2	[2, 0, 1]	是	4
5	3	[2, 0, 3]	是	5
6	0	[2, 0, 3]	否	5
7	4	[4, 0, 3]	是	6
8	2	[4, 0, 2]	是	7
9	3	[4, 0, 3]	否	7
10	0	[4, 0, 3]	否	7

FIFO缺页率：7/10 = 70%

步骤	访问页	页表状态	缺页？	缺页次数
1	7	[7, -, -]	是	1
2	0	[7, 0, -]	是	2
3	1	[7, 0, 1]	是	3
4	2	[2, 0, 1]	是	4
5	3	[2, 0, 3]	是	5
6	0	[2, 0, 3]	否	5
7	4	[4, 0, 3]	是	6
8	2	[4, 0, 2]	是	7
9	3	[4, 0, 3]	否	7
10	0	[4, 0, 3]	否	7

LRU缺页率：7/10 = 70%（与FIFO相同，但实际场景中LRU通常更优）

步骤	访问页	页表状态	缺页？	缺页次数
1	7	[7, -, -]	是	1
2	0	[7, 0, -]	是	2
3	1	[7, 0, 1]	是	3
4	2	[2, 0, 1]	是	4
5	3	[2, 3, 1]	是	5
6	0	[2, 3, 0]	否	5
7	4	[4, 3, 0]	是	6
8	2	[4, 3, 2]	是	7
9	3	[4, 3, 2]	否	7
10	0	[4, 3, 0]	否	7

OPT缺页率：7/10 = 70%（理论上最优，但需预知未来访问序列）

算法	缺页次数	优点	缺点
FIFO	7	实现简单，无需额外数据结构	可能替换常用页，性能较差
LRU	7	更符合实际访问模式	需要维护时间戳或栈，开销较大
OPT	7	理论上最优缺页率	需预知未来访问序列，无法实用