8-页面置换算法

      请求分页存储管理与基本分页存储管理的主要区别:

      在程序执行过程中,当所访问的信息不在内存时,由操作系统负责将所需信息从外存调入内存,然后继续执行程序。

      若内存空间不够,由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存

      而页面置换算法的作用是:决定换出哪个页面

最佳置换算法(OPT)

      最佳置换算法(OPT, Optimal) :每次选择淘汰的页面是以后永不使用,或者在最长时间内不再被访问的页面,这样可以保证最低的缺页率。

      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

先进先出置换算法(FIFO)

      先进先出置换算法(FIFO) :每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面
      实现方法:把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列,需要换出页面时选择队头页面即可。队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块。

      FIFO算法虽然实现简单,但是该算法与进程实际运行时的规律不适应,因为先进入的页面也有可能最经常被访问。因此,算法性能差

最近最久未使用置换算法(LRU)

      最近最久未使用置换算法(LRU, least recently used) :每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面

      实现方法:赋予每个页面对应的页表项中,用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t。当需要淘汰一个页面时,选择现有页面中t值最大的,即最近最久未使用的页面。

      该算法的实现需要专门的硬件支持,虽然算法性能好,但是实现困难开销大

时钟置换算法(CLOCK)

      最佳置换算法性能最好,但无法实现;

      先进先出置换算法实现简单,但算法性能差;

      最近最久未使用置换算法性能好,是最接近OPT算法性能的,但是实现起来需要专门的硬件支持,算法开销大。

      时钟置换算法是一种性能和开销较均衡的算法,又称CLOCK算法,或最近未用算法(NRU, NotRecently Used )

      简单的CLOCK算法实现方法:为每个页面设置一个访问位,再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时,其访问位置为1。当需要淘汰一个页面时,只需检查页的访问位。

      如果是0,就选择该页换出;如果是1,则将它置为0,暂不换出,继续检查下一个页面,若第一轮扫描中所有页面都是1,则将这些页面的访问位依次置为0后,再进行第二轮扫描(第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面,因此简单的CLOCK算法选择–个淘汰页面最多会经过两轮扫描)

改进的时钟置换算法

      简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上,如果被淘汰的页面没有被修改过,就不需要执行I/0操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时,才需要写回外存
      因此,除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外,操作系统还应考虑页面有没有被修改过。在其他条件都相同时,应优先淘汰没有修改过的页面,避免I/0操作。这就是改进型的时钟置换算法的思想。

      修改位=0,表示页面没有被修改过;修改位=1,表示页面被修改过

      为方便讨论,用(访问位,修改位)的形式表示各页面状态。如(1, 1)表示一个页面近期被访问过,且被修改过。

      算法规则:将所有可能被置换的页面排成一个循环队列

      第一轮:从当前位置开始扫描到第一个(0, 0)的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位。

      第二轮:若第一轮扫描失败,则重新扫描,查找第一个(0, 1)的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0。

      第三轮:若第二轮扫描失败,则重新扫描,查找第一个(0, 0)的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位。

      第四轮:若第三轮扫描失败,则重新扫描,查找第一个(0, 1)的帧用于替换。

      由于第二轮已将所有帧的访问位设为0,因此经过第三轮、第四轮扫描一定会有一个帧被选中,因此改进型CLOCK置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描

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