页面置换算法 LRU & LFU 算法

页面置换算法介绍

评价一个页面替换算法好坏的标准主要有两个，一是命中率要高，二是算法要容易实现。要提升一个页面替换算法的命中率，首先要使这种算法能正确反映程序的局部性，其次是这种算法要可以充分利用主存中页面调度状况的历史信息，或者可以预测主存中将要发生的页面调度状况。 
　　页面替换算法主要用于以下几个地方： 
　　(1) 虚拟存储器中，主存页面（或程序段）的替换。 
　　(2) Cache中的块替换。 
　　(3) 虚拟存储器的快慢表中，快表的替换。 
　　(4) 虚拟存储器中，用户基地址寄存器的替换。 

 

LFU算法

    近期最少使用算法，即LFU算法（Least Frequently Used algorithm）。这种算法选择近期最少访问的页面做为被替换的页面。显然，这是一种很是合理的算法，由于到目前为止最少使用的页面，极可能也是未来最少访问的页面。该算法既充分利用了主存中页面调度状况的历史信息，又正确反映了程序的局部性。可是，这种算法实现起来很是困难，它要为每一个页面设置一个很长的计数器，而且要选择一个固定的时钟为每一个计数器定时计数。在选择被替换页面时，要从全部计数器中找出一个计数值最大的计数器。所以，一般采用以下一种相对比较简单的方法。

    核心思想：若是一个数据在最近一段时间内使用次数不多，那么在未来一段时间内被使用的可能性也很小“

    传统实现:

    

        1. 新加入数据插入到队列尾部（由于引用计数为1）；

        2. 队列中的数据被访问后，引用计数增长，队列从新排序；

        3. 当须要淘汰数据时，将已经排序的列表最后的数据块(访问次    数最少的块)删除。

    实现方式：

        可用一个小顶堆+hashmap,来实现；

       小顶堆对访问次数排序

       hashmap对每一个缓存节点访问次数来更新
 

 

 

      改良版算法：Window-LFU（置换指定时间内，按照LFU规则排序淘汰数量）

     

  

        1）记录了过去W个访问记录；

        2）须要淘汰时，将W个访问记录按照LFU规则排序淘汰

        举例以下：

            假设历史访问记录长度设为9，缓存大小为3，图中不一样颜色表明针对不一样数据块的访问，同一颜色表明            针 对同一数据的屡次访问。

            样例1：黄色访问3次，蓝色和橘色都是两次，橘色更新，所以缓存黄色、橘色、蓝色三个数据块

            样例2：绿色访问3次，蓝色两次，暗红两次，蓝色更新，所以缓存绿色、蓝色、暗红三个数据块

         须要维护一个队列，记录数据的访问流历史；须要排序。          

          Window-LFU只记录一部分的访问历史记录，不须要记录全部的数据访问历史，所以内存消耗和排序消耗都            比LFU要低。

 

LRU算法

     最久没有使用算法，即LRU算法（Least Recently Used algorithm）。这种算法把近期最久没有被访问过的页面做为被替换的页面。它把LFU算法中要记录数量上的"多"与"少"简化成判断"有"与"无"，所以，实现起来比较容易。 

     核心思想：若是在一段时间内长时间不访问的页面未来也不会访问

    传统实现原理：

        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

        以后 4调入内存 4 3

        以后 2调入内存 2 4 3

        以后 3调入内存 3 2 4

        以后 1调入内存 1 3 2（由于最少使用的是4，因此丢弃4）

        以后 4调入内存 4 1 3（原理同上）

        最后 2调入内存 2 4 1

LRU算法扩展，能够看个人另外一篇博文：

    http://my.oschina.net/manmao/blog/601698

LRU算法简单实现：

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxNDI5NzEzNg==&mid=2651157126&idx=1&sn=aec050aae2efc427c1397f4a7e2fde6a&chksm=8064a3d9b7132acff5614b7c9fbcb60770a52970fa4f8b76e1ab06f8ce803040f998e3f42e95&scene=0&key=1a6dc58b177dc626a128add5b7c4924b9be81733861d4c335d100d3f533c6dd072c017e31903757829134be3cbf22354&ascene=14&uin=NzkwODcyMzQx&devicetype=android-19&version=26031732&nettype=WIFI&pass_ticket=b1FAKwVG%2FaONUhFzptp9fVyQ%2BjKJN0WTZmJ10%2FqDvgH1E3rS%2BVODI%2F%2F%2FHLW%2BF%2BBc