操作系统笔记--页面置换算法

纳兰小熊

已于 2023-04-26 00:11:43 修改

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分类专栏： OS&计网&数据库笔记文章标签：操作系统

于 2023-04-24 19:24:40 首次发布

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页面置换算法用于处理内存不足时的选择替换页面策略，包括最优、FIFO、LRU、时钟等多种算法。FIFO可能出现Belady现象，而LRU通常表现较好但成本高。工作集和常驻集模型基于程序局部性原理，帮助优化内存使用。全局置换算法如工作集页面置换算法动态调整内存分配，防止抖动。

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2-8--LRU、FIFO和Clock算法的比较

1--页面置换算法

当缺页中断发生，需要调入新的页面而内存已满时，根据页面置换算法来选择内存当中哪个物理页面被置换；

衡量页面置换算法的优劣：尽可能地减少页面的换进换出次数（即缺页中断的次数）；尽可能把未来不再使用的或短期内较少使用的页面换出；

2--局部页面置换算法

2-1--最优页面置换算法

当一个缺页中断发生时，对于保存在内存当中的每一个逻辑页面，计算其下一次被访问的时间，选择时间最长的页面作为置换页面；

最优页面置换算法是一种理想情况，在实际系统中无法实现，因为操作系统无法计算每一个页面下一次被访问的时间；

2-2--先进先出算法

先进先出算法（FIFO）选择在内存中驻留时间最长的页面进行替换；操作系统维护一个链表，记录了位于内存当中的所有逻辑页面，其中链首页面的驻留时间最长，链尾页面的驻留时间最短；当发生缺页中断时，将链首页面淘汰出局，并把新的页面添加到链尾中；

一般来说，先进先出算法的性能较差，调出的页面可能是经常要访问的页面，同时会导致Belady现象（即导致后续更多的缺页中断）；

2-3--最近最久未使用算法

最近最久未使用算法（Least Recently Used，LRU）在发生缺页中断时，会选择最久未使用的那个页面进行替换；

最近最久未使用算法是对最优置换算法的一个近似，其依据程序的局部性原理，即在短时间内某些页面被频繁访问，那么在未来的一小段时间内具有极大可能地被频繁访问；反之，某些页面长时间未被访问，那么它们还可能会长时间地得不到访问；

        LRU 算法需要记录各个页面使用时间的先后顺序，其开销比较大，具体实现有以下两种方法：

        ① 系统维护一个页面链表，最近使用的页面作为首结点，最久未使用的页面作为尾结点；每一次访问内存时，找到相应的页面，从页面聊表的当前位置取下再将其移动到首位置；当发生缺页中断时，替换页面链表的尾结点；

        ② 系统设置一个活动页面栈，当访问某页时将该页号压入栈顶，并考察栈内是否有与此页面相同的页号，若有则抽出置于栈顶；当发生缺页中断时，替换处于栈底的页面；

2-4--时钟页面置换算法

Clock 页面置换算法是 LRU 算法的近似，也是对 FIFO 算法的改进，其需要使用页表项当中的访问位，当一个页面被装入内存时将访问位初始化为0，当页面被访问（读/写）时将访问位置为1；

将各个页面组织成环形链表（类似于钟表面），把指针指向最先进来的页面；当发生缺页中断时，首先考察指针指向的页面，若其访问位为0，则进行替换；若访问位为1，则首先将访问位置为0，再将指针往下移动一格，直至遇到访问位为0的页面进行替换；

2-5--二次机会算法

二次机会法（Enhanced Clock algorithm）是对时钟页面置换算法的一个改进，其有两个类似于Clock算法访问位的 bit，分别称为 used bit 和 dirty bit，对应读和写；当一个页面的 used bit 和 dirty bit 都为0时才会被替换，即对于一个 used bit 和 dirty bit都为1的页面来说，其至少需要循环两次才能被替换；

当页面被写入时，dirty bit 和 used bit 将置 1；当页面被读取时，只有used bit才会置为 1；二次机会法可以尽可能地保留被频繁写入的页面；

2-6--最不常用算法

最不常用算法（Least Frequently Used，LFU）在缺页中断发生时，会选择访问次数最少的页面进行换出，其通过对每一个页面设置一个访问计数器；当一个页面被访问时，该页面的访问计数器会加1；当发生缺页中断时，会替换计数值最小的那个页面；

最不常用算法可能存在的问题是：一个页面在进程开始之初被频繁使用，在之后的程序中不被使用，但其访问计数值极大；解决这个问题的一个方法是：定时地把访问计数器的寄存器右移一位，以减少时间的影响；

2-7--Belady现象

在采用 FIFO 算法时，随着分配物理页面的增加，有时会出现缺页率反而提高的异常现象；正常来说，随着分配物理页面的增加，缺页率应当是降低的；

2-8--LRU、FIFO和Clock算法的比较

LRU 算法和 FIFO 算法本质上都是先进先出的思路，LRU 算法针对的是页面最近访问时间进行排序（每次访问页面都会动态调整页面的先后顺序），而 FIFO 算法针对页面进入内存的时间进行排序，其先后顺序是固定的；当一个页面进入内存后没有被访问，则其最近访问时间与进入内存时间相等；当内存中所有的页面均未被访问时，LRU 算法会退化为 FIFO 算法；

LRU 算法性能较好，但系统的开销较大；FIFO 算法系统开销较小，但可能会发生Belady 现象；因此折衷的算法是 Clock 算法；

3--工作集和常驻集模型

各种页面置换算法起作用的前提是：程序的局部性原理；

工作集：一个进程当前正在使用的逻辑页面集合；

常驻集：当前时刻进程实际驻留在内存当中的页面集合；

4--全局置换算法

4-1--工作集页面置换算法

工作集页面置换算法：随着程序的执行，工作集窗口不断移动；当一个页不处于工作集窗口时，会把该页从内存中换出；

并不是只在发生缺页中断时，工作集页面置换算法才会把页换出至外存中；

工作集页面置换算法可以有效保留最近访问的页，提前换出内存中的物理页，可以为其它程序提供更多的内存空间，从而达到动态分配内存空间的目的；但工作集页面置换算法会增加缺页中断；