挑战408——操作系统（23）——页面置换算法

在进程运行的过程中，在调入时，若内存中没有空闲空间，那么为了所需要的页面能调入，必须选择一些页调出。算法的好坏直接印象系统的性能，不适当的算法可能引起系统的抖动（至于什么叫抖动，下篇再说）。
选择算法的出发现在于：把未来不再使用的或者是短期内不再使用的页调出。但是由于未来不可预估，因此只能根据过去的数据进行预测。
那么怎么进行相应的预测呢？假设分配给进程的存储块数量为3.而进程在执行的过程中需要访问5个页面，运行的时候，产生的地址流为 2 3 2 1 5 2 4 5 3 2 5 2，也就是说进程访问的第一个页为2，第二个页为3，最后一页为2。将2 3 1 装入存储块以后，访问5的时候，便会发生缺页，于是调用相应的页面置换算法。

最佳置换法（OPT）

该算法要求选择那些不再使用或者最长时间不再使用的页，由于无法预知内存中哪些页不再使用，或者最长时间不再使用，因此该算法是无法实现的 ，但是可以作为其他算法的参考标准。
同样我们假设分配了3个存储块，访问的页地址流如下，根据OPT算法，过程如下：

先进先出算法FIFO

算法：总是淘汰最先进入内存的页（即在内存时间中待得最久）。

这里注意一个点，缺页不等于置换，比如前三次的缺页，只是单独的没有页面在内存块，只有调入，没有换出。
所以，缺页率为9/12, x 100% = 75%。

最近最久未使用算法LRU

FIFO之所以性能较差，是因为各个页调入内存的时间，并不能反映，页面的使用情况，最近最久未使用算法，以过去预测未来，每个页面上的访问字段，记录了页面上子上次未被访问所经历的时间T，淘汰的时候，选择T值最大的页。

从做法上看，就是从要置换的页往前看，看谁离它最远，这种算法与OPT算法接近，但是由于增加了新的字段，操作系统的开销比较大。

时钟置换算法（clock算法）

尽管LRU算法与OPT算法接近，但是实现起来较为困难，因此在实际的应用中，大多采用LRU的近似算法，clock算法（也称NRU算法）。
该算法在页表中设置访问字段A和修改位M，将内存中的所有页面用指针链接成一个循环队列，当页面被访问的时候，其访问位置为1，系统置换的时候，检查每页的访问页位，为0的时候淘汰，为1的时候重置为0.接着继续查找其他页，直到访问页为0的页。
在内存中，如果一个页被修改过，则需要将它重新写回磁盘，因此，淘汰修改过后的页面所付出的开销要比未修改过的页面大。（因此，一般不淘汰修改后的页面）
所以，A和M有四种可能：

1. A = 0,M = 0. 最近未被访问，也没有被修改（是最佳的置换页面）
2. A = 0,M = 1.最近未被访问，但是被修改过
3. A = 1,M = 0.最近被访问过，但是未被修改
4. A = 1,M = 1.最近被访问过，也被修改过（所以该页很可能再次被访问）

具体的做法：
（1）.从指针所指的位置，扫描循环队列，找的是 A = 0,M = 0的页，遇到便淘汰。第一次扫描期间不改变其访问位
（2）.若（1）失败，那么找 A = 0,M = 1的页面，遇到则淘汰，第二次扫描期间，所经历的页，访问位修改为0.
（3）.重复（1）（2），此时一定能找到 A = 0,M = 0的页面