頁面置換算法 LRU & LFU 算法

頁面置換算法介紹

評價一個頁面替換算法好壞的標準主要有兩個，一是命中率要高，二是算法要容易實現。要提升一個頁面替換算法的命中率，首先要使這種算法能正確反映程序的局部性，其次是這種算法要可以充分利用主存中頁面調度狀況的歷史信息，或者可以預測主存中將要發生的頁面調度狀況。 
　　頁面替換算法主要用於以下幾個地方： 
　　(1) 虛擬存儲器中，主存頁面（或程序段）的替換。 
　　(2) Cache中的塊替換。 
　　(3) 虛擬存儲器的快慢表中，快表的替換。 
　　(4) 虛擬存儲器中，用戶基地址寄存器的替換。 

 

LFU算法

    近期最少使用算法，即LFU算法（Least Frequently Used algorithm）。這種算法選擇近期最少訪問的頁面做爲被替換的頁面。顯然，這是一種很是合理的算法，由於到目前爲止最少使用的頁面，極可能也是未來最少訪問的頁面。該算法既充分利用了主存中頁面調度狀況的歷史信息，又正確反映了程序的局部性。可是，這種算法實現起來很是困難，它要爲每一個頁面設置一個很長的計數器，而且要選擇一個固定的時鐘爲每一個計數器定時計數。在選擇被替換頁面時，要從全部計數器中找出一個計數值最大的計數器。所以，一般採用以下一種相對比較簡單的方法。

    核心思想：若是一個數據在最近一段時間內使用次數不多，那麼在未來一段時間內被使用的可能性也很小「

    傳統實現:

    

        1. 新加入數據插入到隊列尾部（由於引用計數爲1）；

        2. 隊列中的數據被訪問後，引用計數增長，隊列從新排序；

        3. 當須要淘汰數據時，將已經排序的列表最後的數據塊(訪問次    數最少的塊)刪除。

    實現方式：

        可用一個小頂堆+hashmap,來實現；

       小頂堆對訪問次數排序

       hashmap對每一個緩存節點訪問次數來更新
 

 

 

      改良版算法：Window-LFU（置換指定時間內，按照LFU規則排序淘汰數量）

     

  

        1）記錄了過去W個訪問記錄；

        2）須要淘汰時，將W個訪問記錄按照LFU規則排序淘汰

        舉例以下：

            假設歷史訪問記錄長度設爲9，緩存大小爲3，圖中不一樣顏色表明針對不一樣數據塊的訪問，同一顏色表明            針 對同一數據的屢次訪問。

            樣例1：黃色訪問3次，藍色和橘色都是兩次，橘色更新，所以緩存黃色、橘色、藍色三個數據塊

            樣例2：綠色訪問3次，藍色兩次，暗紅兩次，藍色更新，所以緩存綠色、藍色、暗紅三個數據塊

         須要維護一個隊列，記錄數據的訪問流歷史；須要排序。          

          Window-LFU只記錄一部分的訪問歷史記錄，不須要記錄全部的數據訪問歷史，所以內存消耗和排序消耗都            比LFU要低。

 

LRU算法

     最久沒有使用算法，即LRU算法（Least Recently Used algorithm）。這種算法把近期最久沒有被訪問過的頁面做爲被替換的頁面。它把LFU算法中要記錄數量上的"多"與"少"簡化成判斷"有"與"無"，所以，實現起來比較容易。 

     核心思想：若是在一段時間內長時間不訪問的頁面未來也不會訪問

    傳統實現原理：

        假設 序列爲 4 3 4 2 3 1 4 2

        物理塊有3個 則

        首輪 4調入內存 4

        次輪 3調入內存 3 4

        以後 4調入內存 4 3

        以後 2調入內存 2 4 3

        以後 3調入內存 3 2 4

        以後 1調入內存 1 3 2（由於最少使用的是4，因此丟棄4）

        以後 4調入內存 4 1 3（原理同上）

        最後 2調入內存 2 4 1

LRU算法擴展，能夠看個人另外一篇博文：

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

LRU算法簡單實現：

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