操作系统笔记:(四) 页面置换算法

本篇文章简要总结虚拟存储中的页面置换算法，结构组织如下:

• 相关概念
• 局部置换算法
• 全局置换算法

相关概念

设计目标

• 减少页面 swap in/out 次数
• 把未来不在访问或者短期内不在访问的页调出

页面锁定

有些页是不用调出的

• 描述必须常驻内存中的逻辑页
• OS 的关键部分
• 要求响应速度的 code/data
• 页表项中的锁定页(lock bit)

评价方法

• 记录访存的页面轨迹(编号)
• 模拟/记录缺页次数

分类

• 局部置换算法: 仅限当前进程的页
• 全局置换算法: OS管理的所有页

局部置换算法

OPT(最优置换算法)

idea: 未来最长时间不访问的页(理想情况)

implement: 缺页时找到未来最长时间不访问的页，换出

特点

• 无法实现
• 最理想的策略
• 作为其他算法的评测依据

FIFO 先进先出

字面意思

特点：

• 实现简单
• 性能较差
• 容易产生belady 现象

LRU（Least Recently Used algorithm）

idea: 缺页时用最近最少使用的页替换掉它

implement

1. 为每个页表增加一个时钟域记录每次访问时间，缺页时换掉时间最小的
2. 栈 实现 进来一个新的页，就重新压栈，缺页时仅却出栈顶元素就好，不过当页已在栈中时，仍然耗时很大，具体地，若访问的页在栈顶需要将其摞到栈首.

特点:

• 实现难
• 时间开销大

clock 算法(时钟置换算法)

这是一种近似的LRU 算法，是对 FIFO 和LRU的折中

implement:

Data Structure：

• 在页表项中增加引用位，标记当前这一页是否被引用
• 将页面组织成环形链表
• pointer指向最先调入的页面

Algorithm:

• 访问页，在页表项记录下页面访问情况
• 缺页，从指针指向的页面开始，若遇见引用位为0的页面，就将其换出，并置访问位为1；若引用位为1，将其置1，可以发现这样最终总会找到一个适当的页
  

增强的clock 算法

将引用位和修改位作为一个序对来考虑，那么会有四种类型

• 00 最近未使用也没有修改，用于置换的最佳页
• 01 最近未使用但是修改过，不是很好，需要将其写回磁盘
• 10 最近使用过，但是未修改，很快可能又被使用
• 11 最近使用过且修改过，不好

这种方法给修改过的页更高的级别，可能需要多找几圈，但是降低了I/O操作

belady 现象

分配的物理页面增加，缺页率反而上升

FIFO : 存在belady现象，这个例子很好找到
LRU：不存在，(多增加页面后，每次换出的页面相同???,PS:个人想法)
clock: 存在，（e.g.: 带填坑）

全局置换算法

就是操作系统考虑当前所有进程页面的分配，将不常用的页交换出去，给其他进程多一点空间，由于进程在生命周期内的内存需求是变化的。

主要有两种，一种是工作集，一种是缺页率

工作集

• 工作集: w(t,Δ) ,当前时间 t ,往前移 Δ 时间所访问过的页面集合
• 常驻集: I 当前时刻 t 为止进程实际驻留在内存中的集合

缺页率与工作集的关系

• |I|≥|w| 缺页较少， 反之缺页较多

工作集的想法是每次缺页时换出不在 W 中的页面，但实现较难

缺页率

idea 这个算法的思想是说，当算法缺页率大于其上限的时候将多分配页面，低与下限的时候少分配页面

implement:

设定一个 T 作为容忍的忍受缺页时间

记录 tlast (上次缺页时间)， tcur (当前缺页时间)，每次缺页时:

• tcur−tlast>T 将不在 T 时间类的页面换出，反之放入.