操作系统原理：全局页面置换算法、工作集页置换、常驻集页置换、抖动问题

          程序在运行过程中具有阶段性，可能刚开始的时候需要访问的内存很多，之后访问的内存可能会很少。如果操作系统给每个程序分配固定的物理页那么就显得不灵活，有没有办法动态地给程序分配页帧呢，在需要访问很多内存的时候多分配点页，不需要访问过多内存的时候少分配点页？

         工作集模型：工作程序需要有局部性原理（邻近的代码变量分配在相邻的空间，一条指令的一次执行和下次执行都在很短的时间）。工作集是一个进程当前正在使用的逻辑页面集合。可以用 W（t，Δ） 二元式表示t时刻Δ窗口中的页面组成的集合， ，其中t 表示当前执行时刻，而Δ表示工作集窗口，是一个定长的页面访问的时间窗口 。 |W（t，Δ）| 表示工作集大小，页面数量。

         

         常驻集概念：常驻集是工作集的一种，指在当前某个时刻，进程实际驻留在内存当中的页面集合。工作集是需要访问在内存的页面集合。由于在某个时刻需要访问的内存数量有限，所以整个执行过程中常驻集是有最大值的，当操作系统给程序的常驻集太大也可能造成空间上的浪费。

 

一、工作集的页置换算法

       工作集的页置换算法并不是只有发生缺页中断时才把页换出到外存。随着程序在执行，工作集的窗口会跟着挪动，如果页不在工作集窗口中就会把页换出

 

这种置换算法虽然增加了缺页中断，但是却可以有效地保留最近访问的页，提前换出内存中的物理页，给其他应用程序提供更多的内存空间，达到动态分配内存空间的目的。与此同时，由于大部分写硬盘操作是提前完成的，所以当发生缺页中断时，大多数情况只需要写内存操作就行。

 

二、缺页率页面置换算法 （PFF）

       上述算法的窗口大小是固定的，而在PFF算法中，窗口大小是可以变化的。在每个进程运行开始时，先根据程序大小分配一定数目的物理页面，在运行过程中再根据缺页率来调整窗口大小。缺页率过低说明需要的物理页面足够，需要减小工作集，过低则表示分配的物理页不够需要增大工作集，来进行动态地调整工作集窗口大小。

      缺页率 = 缺页次数 /内存访问次数    ， 也是 缺页次数关于程序执行时间的导数。

      在下例中，Window size 代表缺页中断的时间间隔。

      

    此方法相比工作集算法更灵活，但是实现起来会复杂些。

 

三、抖动问题

     如果操作系统分配给进程的物理页面太少，则不能包含整个工作集，随着驻留内存的进程数目增加，分配给进程的页面数减少，容易发生频繁的缺页中断，这个现象称之为“抖动”，所以操作系统需要选择一个适当的进程数目和进程需要的帧数，以便在并发水平和缺页率中保持一个平衡。 例如当计算机刚开机时，CPU的利用率很高，随着操作系统运行的时间越来越久，进程的数量越来越多，如果缺页率高CPU可能在频繁地做页的换入换出操作，使CPU的系统利用率低，造成在运行的程序效率低。 如何量化都动问题呢？在性能测试中，需要计算 平均的缺页时间，即大概多久会平均产生一次缺页 ，需要计算出缺页时换入换出时间。 当 平均的缺页时间 接近  缺页时换入换出时间 时，CPU能够高效且高并发的为系统所利用。