[操作系统笔记]页面置换算法

news2024/11/24 0:16:07

内容系听课复习所做笔记，图例多来自课程截图

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常见的页面置换算法有：最优算法、随机算法、FIFO、LRU

随机算法顾名思义

FIFO(先进先出, First In First Out)算法：可能产生抖动现象和Belady现象

LRU（最近最少使用算法）：不会产生抖动和Belady现象，分配的资源越多，表现的性能越好

	算法规则	优缺点
OPT	优先淘汰最长时间内不会被访问的页面	缺页率最小，性能最好，但无法实现
FIFO	优先淘汰最先进入内存的页面	实现简单，但性能很差。可能出现Belady异常
LRU	优先淘汰最近最久没访问的页面	性能很好，但需要硬件支持，算法开销大
NRU	循环扫描各页面，第一轮淘汰访问位=0的，并将扫描过的页面访问位改为1。若第一轮没选中，则进行第二轮扫描。	实现简单，算法开销小。但未考虑页面是否被修改过
改进型NRU	若用(访问位, 修改位)的形式表述，则第一轮淘汰(0, 0);第二轮淘汰(0, 1)并将扫描过的页面访问位都置为0;第三轮:淘汰(0, 0);第四轮:淘汰(0, 1)	算法开销较小，性能也不错

为什么需要置换算法

页面置换算法用来在缺页时发出缺页中断，系统检查是否有空闲内存空间，若无，则由操作系统将内存中暂时用不到的信息换出外存。

页面的换入换出需要磁盘I/O，会有较大的开销，因此好的页面置换算法应该追求更少的缺页率。

$缺页率=\frac{缺页中断次数}{访问页面次数}$

最佳置换算法

每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或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

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整个过程缺页中断9次，页面置换6次。缺页中断未必页面置换，当且仅当可用空间不够才会进行页面置换（有可用空闲内存块就不用页面置换）。

最佳置换算法只是一种理想化的算法，因为实际运用时操作系统不可能预知整个页面访问序列，只能在在进程执行时知道接下来要访问哪一个页面。故而该算法是无法实现的。

先进先出置换算法

每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面。实现方法就是把调入内存的页面根据调入先后顺序排成一个队列，需要换出页面时选择队首的页面即可。

队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块

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Belady异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的现象

只有FIFO会产生该现象

最近最久未使用置换算法

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过的页面。

实现方法：在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。

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做题时只需先检查有没有空闲内存，若有则直接载入，若无则逆向检查已访问的序列中之前的页面，最后一个出现的页面号就是要被淘汰的。

该算法的实现需要专门的硬件支持，虽然性能好，但是实现困难，开销大。

性能最接近OPT算法

时钟置换算法

时钟置换算法是一种性能和开销较为均衡的算法，又称CLOCK算法，或最近未用算法（NRU，Not Recently 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算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描）