一、实验目的：

通过编写一个页面置换算法的模拟程序，深入理解并比较最佳置换算法、先进先出算法和最近最久未使用算法在操作系统中的应用和性能差异。同时，通过实验，加深对操作系统中内存管理相关概念的理解。

实验设备与实验环境：

计算机,Java编译系统,idea,ChatGPT

二、实验程序设计内容：

1. 实现一个PageReplacement类，包含最佳置换算法（optimalReplacement()）、先进先出算法（firstInFirstOut()）和最近最久未使用算法（leastRecentlyUsed()）方法。
2. 在Main类中，初始化一组页面序列，并使用PageReplacement类来模拟不同的页面置换算法，计算各算法的缺页次数。
3. 输出每种算法的缺页次数，以便比较不同算法的性能。

三、实验程序设计思路及流程图

1. 在PageReplacement类中，实现最佳置换算法，先进先出算法和最近最久未使用算法。

1. 在Main类中，初始化页面序列并调用PageReplacement类中的不同算法方法，分别计算缺页次数并输出结果。
2. 比较不同算法的表现，观察各算法在模拟页面置换过程中的效果，了解它们在处理页面置换时的优劣势。

四、实验源程序及注释：

package homework.os;import java.util.Arrays;
import java.util.LinkedList;class PageReplacement {private int[] pages;private int[] memory;private LinkedList<Integer> fifoList;private LinkedList<Integer> lruList;public PageReplacement(int memorySize, int[] pages) {this.pages = pages;this.memory = new int[memorySize];Arrays.fill(this.memory, -1);this.fifoList = new LinkedList<>();this.lruList = new LinkedList<>();for (int i = 0; i < memory.length; i++) {fifoList.offer(i);lruList.offer(i);}}public int optimalReplacement() {int pageFaults = 0;for (int i = 0; i < pages.length; i++) {if (isPageFault(pages[i], memory)) {pageFaults++;int index = getOptimalPageIndex(i);memory[index] = pages[i];}}return pageFaults;}private boolean isPageFault(int page, int[] memory) {for (int mem : memory) {if (mem == page) {return false;}}return true;}private int getOptimalPageIndex(int currentIndex) {int farthestIndex = 0;int farthestDistance = -1;for (int i = 0; i < memory.length; i++) {int farthest = currentIndex;while (farthest < pages.length) {if (memory[i] == pages[farthest]) {if (farthest > farthestDistance) {farthestIndex = i;farthestDistance = farthest;}break;}farthest++;}if (farthest == pages.length) { // page will not be used in the futurereturn i;}}return farthestIndex;}public int firstInFirstOut() {int pageFaults = 0;for (int page : pages) {if (isPageFault(page, memory)) {pageFaults++;int replacedPage = fifoList.poll();memory[replacedPage] = page;fifoList.offer(replacedPage);}}return pageFaults;}public int leastRecentlyUsed() {int pageFaults = 0;for (int i = 0; i < pages.length; i++) {if (isPageFault(pages[i], memory)) {pageFaults++;int replacedPage = lruList.poll();memory[replacedPage] = pages[i];lruList.offer(replacedPage);} else {lruList.remove(Integer.valueOf(pages[i]));lruList.offer(pages[i]);}}return pageFaults;}
}public class exm7_PageReplacement {public static void main(String[] args) {int[] pages = {1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5};PageReplacement pageReplacement = new PageReplacement(3, pages);System.out.println("Optimal Replacement Algorithm:");System.out.println("Page Faults: " + pageReplacement.optimalReplacement());System.out.println("\nFirst-In-First-Out Algorithm:");System.out.println("Page Faults: " + pageReplacement.firstInFirstOut());System.out.println("\nLeast Recently Used Algorithm:");System.out.println("Page Faults: " + pageReplacement.leastRecentlyUsed());}
}

五、实验程序测试过程及解释说明

调用Main方法,分别对三个算法进行调试

六、实验程序测试过程与结果分析、

Optimal Replacement Algorithm:

Page Faults: 7

First-In-First-Out Algorithm:

Page Faults: 9

Least Recently Used Algorithm:

Page Faults: 10

Process finished with exit code 0

七、理论学习与实践能力锻炼方面的个人心得体会

通过编写以上程序并运行实验，我深入了解了最佳置换算法、先进先出算法和最近最久未使用算法在操作系统中的应用。观察实验结果可以发现，不同算法在处理页面置换时表现出不同的性能特点，如最佳置换算法可能需要更多的计算开销，而先进先出算法有简单但不够高效等等。通过本次实验，我更加熟悉了页面置换算法的原理和实际应用，对操作系统中内存管理的实现有了更深入的理解。

实验评价及结论：

实验目的明确、设计内容符合要求，独立完成了操作系统存储器管理的页面置换算法程序设计任务且源程序与注释、测试过程记录完整正确，能够很好地将课程理论运用于解决实际问题；实验报告内容完整，态度认真，总体质量优秀。

实验指导老师签字：                                   2024年    月    日