【操作系统 - 5】虚拟内存页面置换算法

操作系统系列

  学习至此，发现很多学了但很久没用的知识，久而久之，慢慢遗忘。等哪天还需要的话，却发现已经忘得差不多了，即使整理了文档（word等），还是得从头再学一遍。读研第一学期，发现很多东西都可以从博客上学习到，也有不少博主呕心沥血整理了挺多有用的博文。于是，本人借此契机，也慢慢开始整理一些博文，不断改进完善中。整理博文（IT）有如下目的：

• 首要目的：记录“求学生涯”的所学所悟，不断修改，不断更新！（有读者的互动）
• 其次目的：在这“开源”的时代，整理并分享所学所悟是一种互利的行为！

博文系列：操作系统课程所学相关算法

• 1.先来先服务FCFS和短作业优先SJF进程调度算法
• 2.时间片轮转RR进程调度算法
• 3.预防进程死锁的银行家算法
• 4.动态分区分配算法
• 5.虚拟内存页面置换算法
• 6.磁盘调度算法

6个实验相关代码的下载地址：http://download.csdn.net/detail/houchaoqun_xmu/9865648

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虚拟内存页面置换算法

一、概念介绍和案例解析 - 页面置换算法

• 最佳(Optimal)置换算法：
  

  最佳置换算法是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。其所选择的被淘汰页面，将是以后永不使用的，或是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。采用最佳置换算法，通常可保证获得最低的缺页率。
  但由于人们目前还无法预知一个进程在内存的若干个页面中，哪一个页面是未来最长时间内不再被访问的，因而该算法是无法实现的，但可以利用该算法去评价其它算法。现举例说明如下。 

  假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下的页面号引用串：

7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1

  进程运行时，先将7，0，1三个页面装入内存。以后，当进程要访问页面2时，将会产生缺页中断。此时OS根据最佳置换算法，将选择页面7予以淘汰。这是因为页面0将作为第5个被访问的页面，页面1是第14个被访问的页面，而页面7则要在第18次页面访问时才需调入。下次访问页面0时，因它已在内存而不必产生缺页中断。当进程访问页面3时，又将引起页面1被淘汰；因为，它在现有的1，2，0三个页面中，将是以后最晚才被访问的。图4-26示出了采用最佳置换算法时的置换图。由图可看出，采用最佳置换算法发生了6次页面置换。

• 先进先出(FIFO)页面置换算法：
  

  这是最早出现的置换算法。该算法总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。
  该算法实现简单，只需把一个进程已调入内存的页面，按先后次序链接成一个队列，并设置一个指针，称为替换指针，使它总是指向最老的页面。
  但该算法与进程实际运行的规律不相适应，因为在进程中，有些页面经常被访问，比如，含有全局变量、常用函数、例程等的页面，FIFO算法并不能保证这些页面不被淘汰。

  这里，我们仍用上面的例子，但采用FIFO算法进行页面置换(图4-27)。当进程第一次访问页面2时，将把第7页换出，因为它是最先被调入内存的；在第一次访问页面3时，又将把第0页换出，因为它在现有的2，0，1 三个页面中是最老的页。由图4-27 可以看出，利用FIFO算法时进行了12次页面置换，比最佳置换算法正好多一倍。 

Belady(抖动)现象：采用FIFO算法时，如果对一个进程未分配它所要求的全部页面，有时就会出现分配的页面数增多，缺页率反而提高的异常现象。
Belady现象的描述：一个进程P要访问M个页，OS分配N个内存页面给进程P；对一个访问序列S，发生缺页次数为PE（S,N）。当N增大时，PE(S, N)时而增大，时而减小。
Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征是矛盾的，即被置换的页面并不是进程不会访问的。

• 最近最久未使用(LRU)置换算法：
  

LRU(Least Recently Used)置换算法的描述：

  FIFO置换算法性能之所以较差，是因为它所依据的条件是各个页面调入内存的时间，而页面调入的先后并不能反映页面的使用情况。最近最久未使用(LRU)的页面置换算法，是根据页面调入内存后的使用情况进行决策的。由于无法预测各页面将来的使用情况，只能利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似，因此，LRU置换算法是选择最近最久未使用的页面予以淘汰。该算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间t，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其t值最大的，即最近最久未使用的页面予以淘汰。 

利用LRU算法对上例进行页面置换的结果如上图所示

当进程第一次对页面2进行访问时，由于页面7是最近最久未被访问的，故将它置换出去。
当进程第一次对页面3进行访问时，第1页成为最近最久未使用的页，将它换出。
由图可以看出，前5个时间的图像与最佳置换算法时的相同，但这并非是必然的结果。
因为，最佳置换算法是从“向后看”的观点出发的，即它是依据以后各页的使用情况；
而LRU算法则是“向前看”的，即根据各页以前的使用情况来判断，而页面过去和未来的走向之间并无必然的联系。 

LRU置换算法的硬件支持

  LRU置换算法虽然是一种比较好的算法，但要求系统有较多的支持硬件。
  为了了解一个进程在内存中的各个页面各有多少时间未被进程访问，以及如何快速地知道哪一页是最近最久未使用的页面，须有两类硬件之一的支持：寄存器或栈。

  【寄存器】为了记录某进程在内存中各页的使用情况，须为每个在内存中的页面配置一个移位寄存器，可表示为

R = Rn-1Rn-2Rn-3 … R2R1R0

  当进程访问某物理块时，要将相应寄存器的Rn－1位置成1。此时，定时信号将每隔一定时间(例如100 ms)将寄存器右移一位。如果我们把n位寄存器的数看做是一个整数，那么，具有最小数值的寄存器所对应的页面，就是最近最久未使用的页面。

  下图示出了某进程在内存中具有8个页面，为每个内存页面配置一个8位寄存器时的LRU访问情况。这里，把8个内存页面的序号分别定为1～8。由图可以看出，第3个内存页面的R值最小，当发生缺页时，首先将它置换出去。

  【栈】可利用一个特殊的栈来保存当前使用的各个页面的页面号。每当进程访问某页面时，便将该页面的页面号从栈中移出，将它压入栈顶。因此，栈顶始终是最新被访问页面的编号，而栈底则是最近最久未使用页面的页面号。假定现有一进程所访问的页面的页面号序列为：

4，7，0，7，1，0，1，2，1，2，6

  随着进程的访问，栈中页面号的变化情况如下图所示。在访问页面6时发生了缺页，此时页面4是最近最久未被访问的页，应将它置换出去。 

Linux 的LRU算法

  最初分配某个页时, 页的寿命为3, 每次页被访问, 其寿命增加3, 直到20为止。当内核的交换进程运行时(kswapd周期运行), 在内存的所有页面寿命减1。如果某个页的寿命为0，则该页作为交换候选页。

二、实验介绍

• 问题描述：

  设计程序模拟先进先出FIFO、最佳置换OPI和最近最久未使用LRU页面置换算法的工作过程。假设内存中分配给每个进程的最小物理块数为m，在进程运行过程中要访问的页面个数为n，页面访问序列为P1, … ,Pn，分别利用不同的页面置换算法调度进程的页面访问序列，给出页面访问序列的置换过程，计算每种算法缺页次数和缺页率。

• 程序要求：

1）利用先进先出FIFO、最佳置换OPI和最近最久未使用LRU三种页面置换算法模拟页面访问过程。

2）模拟三种算法的页面置换过程，给出每个页面访问时的内存分配情况。

3）输入：最小物理块数m，页面个数n，页面访问序列P1, …,Pn，算法选择1-FIFO，2-OPI，3-LRU。

4）输出：每种算法的缺页次数和缺页率。

三、程序设计和程序开发

const int MaxNumber=100;
int PageOrder[MaxNumber];  //页面序列
int PageNum,LackNum,MinBlockNum; //页面个数，缺页次数,最小物理块数
int PageDisCount[MaxNumber]; //当前内存距离下一次出现的距离
int LRUtime[MaxNumber];   //存储队列中各个页面最近使用情况
double  LackPageRate;   //缺页率
int LackPageNum;   //缺页数
int VirtualQueue[MaxNumber];   //虚拟队列

页面置换的实现过程如下：

• 1.变量初始化；
• 2.接收用户输入最小物理块数m，页面个数n，页面序列P1, … ,Pn，选择算法1-FIFO，2-OPI，3-LRU；
• 3.根据用户选择的算法进行页面的分配和置换，输出页面置换算法的模拟过程；
• 4.计算选择算法的缺页次数和缺页率；
• 5.输出选择算法的缺页次数和缺页率。

FIFO过程：

void FIFO()
{
	cout<<"********* 你选择了FIFO算法：********* "<OPI过程：

void OPI()
{
	cout<<"********* 你选择了OPI算法：********* "<LRU过程：

void LRU()
{
	cout<<"********* 你选择了LRU算法：********* "<四、实验结果分析 
  
 
   
 
    
实验数据：
 
   
 
   
 
     
    
3
20
7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1
 
   
 
   
 
    
实验结果：
 
   
 
   
 
    
 
   
 
  
 
  
五、实验源码
 
  
 
    
   
// 操作系统_实验五（虚拟内存页面置换算法）.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

const int MaxNumber=100;
int PageOrder[MaxNumber];  //页面序列
int PageNum,LackNum,MinBlockNum;  //页面个数，缺页次数,最小物理块数
int PageDisCount[MaxNumber]; //当前内存距离下一次出现的距离
int LRUtime[MaxNumber];   //存储队列中各个页面最近使用情况

double  LackPageRate;   //缺页率
int LackPageNum;   //缺页数
int VirtualQueue[MaxNumber];   //虚拟队列

void input();
void initial();
void FIFO();    //先进先出
void OPI();     //最佳置换
void LRU();    //最近最久未使用LRU页面置换算法
void display();

void input()
{
	ifstream readData;
	readData.open("data.txt");
	readData>>MinBlockNum;
	readData>>PageNum;
	for (int i=0;i>PageOrder[i];
	}

	cout<<"读取数据结果如下："<>chooseAlgorithm;
		switch(chooseAlgorithm)
		{
		case 1:
			FIFO();
			break;
		case 2:
			OPI();
			break;
		case 3:
			LRU();
			break;
		default:
			cout<<"请输入正确的序号进行选择："<>isContinue;
	}

	cout<<"***************************结束***************************"<