页面淘汰算法详解

4.1 最佳淘汰算法(OPT)

工作机制：如果被替换掉的页是以后再也不会使用的，那么这种算法无疑是

最优秀的。因为不管什么算法，替换掉的页也有可能再次被缓存，替换掉其它的

页。

优点：为一种度量，替换的次数理论会最少，可以很高效地实现页面替换，

这种算法无疑是优秀的算法。虽然这种理想的算法无法被实现，但是可以作为优

先选择项。

缺点：最佳置换算法可以保证最低的缺页率，但实际上，只有在进程执行的

过程中才能知道接下来会访问到的是哪个页面。操作系统无法提前预判页面访问

序列。因此，最佳置换算法是无法实现的。会面对一个无法实现的问题，我们还

是不知道哪些页面会在未来多长一段时间内不会被再次访问。

4.2 最近最久未使用算法(LRU)

工作机制：如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么可以认为在将

来它被访问的可能性也很小。因此，当空间满时，最久没有访问的数据最先被置

换（淘汰）。

优点：方便淘汰最近未使用的页面。性能较好，但需要寄存器和栈的硬件支 I

3

持。 LRU 是堆栈类算法，理论上，堆栈类算法不可能出现 Belady 异常。

缺点：实现困难，开销大。对于偶发的批量操作，比如说批量查询历史数据，

就有可能使缓存中热门数据被这些历史数据替换，造成缓存污染，导致缓存命中

率下降，减慢了正常数据查询。

4.3 先进先出算法(FIFO)

工作机制：这和我们现实生活中的排队方式很相似，先进队伍的人会先买到

票，然后先从队伍中离开。如果使用 FIFO 算法作为页面置换算法，缓存空间大

小是三个页面时，一次进入要进入缓存时， 操作系统将会把 Page1 清除出缓存，

将 Page4 加入至缓存中。如果再有 Page5 要进入缓存时，操作系统会将 Page2 清

除出缓存空间，以此类推。

优点：先进先出法符合逻辑，避免了过程中的浪费与损失。容易理解，剩余

的存货更接近于存货成本。对硬件要求较低

缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致低优先级的饥饿，但

动态的 weight 能有效地规避此类问题。先进先出页面置换算法没有考虑到缓存

页面被使用的情况。如果一个页面被频繁访问，我们应该将它保留在缓存中，这

样就能够提高程序的性能。但是使用 FIFO 算法， 很可能将一个被频繁访问的页

面清除出缓存，在大数情况下，先进先出页面置换算法缺页率比较低或会产生

Belady 异常现象。

4.4 时钟置换算法(CLOCK)

工作机制：时钟置换算法可以认为是一种最近未使用算法，即逐出的页面都

是最近没有使用的那个。我们给每一个页面设置一个标记位 u ， u=1 表示最近有

使用 u=0 则表示该页面最近没有被使用，应该被淘汰。每一次进行替换指针的位

置就从替换数移到下一个位置 , 每一次进行访问时，则指针保持不动。

优点：性能和开销较均衡，较 OPT 算法有更高效更节省的优点

缺点：没能把替换的因素考虑进去，只考虑了访问带来的权重的影响。

4.5 改进时钟置换算法(CLOCK)

工作机制：改进时钟置换算法是在时钟算法上加入了替换的权值。除了访问位，再添加一个修改位，具体的置换规则(0,0) ：最近没有使用使用也没有修改， 最佳状态；(0,1) ：修改过但最近没有使用，第二考虑的状态； (1,0) ：使用过但没 有被修改，该页面可能再次被访问；(1,1) ：使用过也修改过，该页面可能再次被 访问。以此为优先权排序进行淘汰的判断。

优点：性能和开销更为均衡，较时钟置换算法考虑更加全面，同时有更高效

的优点。

缺点：构成复杂冗长，算法的时间复杂度依旧高。

4.6 相关计算

缺页率 = 缺页次数 / 工作总次数；