14操作系统基础——内存页面置换算法——LRU_lru进行页面置换的方法

缺页中断

当CPU访问的页面不在内存时，便会产生缺页中断，请求操作系统将所缺页从硬盘中调入到内存里。

和一般中断的区别：
是指令执行期间产生和处理中断信号
一般中断程序计数器返回的时候会执行下一条指令，而缺页中断需要重新执行该条指令。

流程：

1. CPU访问一条Load指令，然后去找指令对应的页表项。
2. 如果页表有效，则直接访问内存，如果无效，则CPU发送缺页中断请求。
3. 操作系统收到缺页中断，执行处理函数，先查找页面在磁盘中的位置。
4. 然后需要把页面换入到物理内存中 ，但换入前需要物理内存有空位，如果没有空位需要执行页面置换，选择一个物理页把它换出到磁盘，然后将状态改为无效，最后把需要的物理页换进来
5. 换入之后将该页表状态改为有效。
6. 最后CPU重新执行原来的命令。

先进先出

选择在内存中驻留时间最长的页面，垃圾

最近最久未使用LRU

选择最长时间没有被访问的页面进行置换。看上去不错，实际不怎么用。

添加链接描述

struct DLinkedNode {
    int key, value;
    DLinkedNode* prev;
    DLinkedNode* next;
    DLinkedNode(): key(0), value(0), prev(nullptr), next(nullptr) {}
    DLinkedNode(int _key, int _value): key(_key), value(_value), prev(nullptr), next(nullptr) {}
};

class LRUCache {
private:
    unordered_map<int, DLinkedNode*> cache;
    DLinkedNode* head;
    DLinkedNode* tail;
    int size;
    int capacity;

public:
    LRUCache(int _capacity): capacity(_capacity), size(0) {
        // 使用伪头部和伪尾部节点
        head = new DLinkedNode();
        tail = new DLinkedNode();
        head->next = tail;
        tail->prev = head;
    }
    
    int get(int key) {
        if (!cache.count(key)) {
            return -1;
        }
        // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再移到头部
        DLinkedNode* node = cache[key];
        moveToHead(node);
        return node->value;
    }
    
    void put(int key, int value) {
        if (!cache.count(key)) {
            // 如果 key 不存在，创建一个新的节点
            DLinkedNode* node = new DLinkedNode(key, value);
            // 添加进哈希表
            cache[key] = node;
            // 添加至双向链表的头部
            addToHead(node);
            ++size;
            if (size > capacity) {
                // 如果超出容量，删除双向链表的尾部节点
                DLinkedNode* removed = removeTail();
                // 删除哈希表中对应的项
                cache.erase(removed->key);
                // 防止内存泄漏
                delete removed;
                --size;
            }
        }
        else {
            // 如果 key 存在，先通过哈希表定位，再修改 value，并移到头部
            DLinkedNode* node = cache[key];
            node->value = value;
            moveToHead(node);
        }
    }

    void addToHead(DLinkedNode* node) {
        node->prev = head;
        node->next = head->next;
        head->next->prev = node;
        head->next = node;
    }
    
    void removeNode(DLinkedNode* node) {
        node->prev->next = node->next;
        node->next->prev = node->prev;
    }

    void moveToHead(DLinkedNode* node) {
        removeNode(node);
        addToHead(node);
    }

    DLinkedNode* removeTail() {
        DLinkedNode* node = tail->prev;
        removeNode(node);
        return node;
    }
};


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2022/5/4 更新一个易懂一些的版本

class LRUCache {
public:
    //定义双链表
    struct node
    {
        int key,value;
        node *pre,*next;
        node(int k,int v):key(k),value(v),pre(NULL),next(NULL) {}
    }*dummy_head,*dummy_tail;
    unordered_map<int,node*> mp;
    int n;
    LRUCache(int capacity) 
    {
        n=capacity;
        dummy_head=new node(-1,-1),dummy_tail= new node(-1,-1);
        dummy_head->next=dummy_tail;
        dummy_tail->pre=dummy_head;

    }
    //删除p节点
    void remove_p(node *p)
    {
        p->pre->next=p->next;
        p->next->pre=p->pre;
    }
    //插入节点到dummy_head后
    void insert_to_first(node* p)
    {
        p->next=dummy_head->next;
        p->pre=dummy_head;
        dummy_head->next->pre=p;
        dummy_head->next=p;

    }
    
    int get(int key) {
        if(mp.count(key)==0) return -1;
        //有,则返回其值，把该节点从双向链表中移动到第一个,以此表示刚被使用过
        node* temp=mp[key];
        remove_p(temp);
        insert_to_first(temp);
        return temp->value;

    }
    
    void put(int key, int value) {
        //考虑几个问题，容量满没满，有没有。如果有，不涉及容量问题，如果没有才涉及容量问题
        if(mp.count(key))//命中,修改其值，以及在双向链表位置
        {
            node* temp=mp[key];
            temp->value=value;
            remove_p(temp);
            insert_to_first(temp);
        }
        else
        {
            //容量已满,将最后一个节点从双向链表删除，与此同时删除哈希表中该值
            if(mp.size()==n)
            {
                
                node* need_remove=dummy_tail->pre;
                cout<<"delete node"<<need_remove->key<<endl;
                remove_p(need_remove);
                mp.erase(need_remove->key);
            }
            node* p=new node(key,value);
            //将该节点插入到hash表以及双向链表
            mp[key]=p;
            insert_to_first(p);
        }

    }
};

/**
 * Your LRUCache object will be instantiated and called as such:
 * LRUCache* obj = new LRUCache(capacity);
 * int param_1 = obj->get(key);
 * obj->put(key,value);
 */
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