页面置换算法总结

在线考试一般可能只会考察命中次数，即总次数-缺页次数，例如科大讯飞2018年秋招笔试题出现的，因此有必要整理下计算方法。

首先看一下什么是页面置换算法：地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时，如果操作系统内存中没有空闲页面，则操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。

1．最佳置换算法（OPT）（理想置换算法 不可实现）：从主存中移出永远不再需要的页面；如无这样的页面存在，则选择将来最长时间不需要访问的页面。
于是所选择的被淘汰页面是将来永不在使用的，或者是在将来的最长时间内不被访问的，这样可以保证获得最低的缺页率。但是将来的会不会访问操作系统并不知道，因此该算法不能被实现，只是理想的。

最佳置换算法 可以用来评价其他算法。假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下页面号引用串：

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

① 进程运行时，先将7, 0, 1三个页面依次装入内存。
② 接下来进程要访问页面2时，产生缺页中断，根据最佳置换算法，会选择未来第18次访问才调入的页面7予以淘汰。
③ 然后，访问页面0时，因为已在内存中所以不必产生缺页中断。
④ 访问页面3时又会根据最佳置换算法将页面1淘汰……
依此类推，如图所示。从图中可以看出釆用最佳置换算法时的情况。可以看到，发生缺页中断的次数为9，页面置换的次数为6。

2．先进先出置换算法（FIFO）： 是最简单的页面置换算法。这种算法的基本思想是：当需要淘汰一个页面时，总是选择驻留主存时间最长的页面进行淘汰，即先进入主存的页面先淘汰。
其理由是：最早调入主存的页面被认为不再被使用的可能性最大。

这里仍用上面的实例，釆用FIFO算法进行页面置换。进程访问页面2时，把最早进入内存的页面7换出。然后访问页面3时，再把2、0、1中最先进入内存的页换出。由图可以看出，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。

FIFO算法还会产生当所分配的物理块数增大，但是页故障数不减反增的异常现象，这是由 Belady于1969年发现，故称为Belady异常，只有FIFO算法可能出现Belady 异常，而LRU和OPT算法永远不会出现Belady异常。

3．最近最久未使用（LRU）算法： 这种算法的基本思想是：利用局部性原理，根据一个作业在执行过程中过去的页面访问历史来推测未来的行为。它认为过去一段时间里不曾被访问过的页面，在最近的将来可能也不会再被访问。
所以，这种算法的实质是：当需要淘汰一个页面时，总是选择在最近一段时间内最久不用的页面予以淘汰。即淘汰最近最长时间未访问过的页面。（往前看）

再对上面的实例釆用LRU算法进行页面置换，如图所示。进程第一次对页面2访问时，将最近最久未被访问的页面7置换出去。然后访问页面3时，将最近最久未使用的页面1换出。

LRU算法根据各页以前的情况，是 “向前看” 的，而最佳置换算法则根据各页以后的使用情况，是 “向后看” 的。