操作系统学习03 页面置换算法

页面置换算法的目标：当缺页中断发生，需要调入新的页面而内存已满时，选择内存中的哪个物理页面被置换。
尽可能的减少页面换进换出的次数（缺页中断的次数），把未来不再使用或者短期内较少使用的页面换出。通常只能在局部原理指导下一句过去的统计数据来进行预测。
页面锁定：必须常驻内存的操作系统的关键部分或时间关键的应用进程，实现方法是在页表中添加锁定标志位（lock bit）。
记录一个进程对页访问的一个轨迹：
（虚拟）地址跟踪（页号，位移），生成页面轨迹：

1. 最优页面置换算法
   当一个缺页发生中断时，对于保存在内存当中的每一个逻辑页面，计算它的下一次访问之前还需要等待多长时间。从中选择时间最长的那个作为被置换的页面。
   只是理想状况，实际系统中无法实现。因为操作系统不知道每一个页面等待多久才会被再次访问。
   可作为其他算法的性能评价依据（模拟器上运行，记录每一次页面访问情况，第二次即可知道最优置换算法
   ）

2. 先进先出算法FIFO：
   选择在内存中驻留时间最长的页面并淘汰之。
   性能较差，调出的页面可能是经常要访问的页面，并且有belady现象。FIFO算法很少单独使用

3. 最久未使用算法LRU：
   当一个缺页中断发生时，选择最久未被使用的页面，并淘汰之。 如果程序有局部特征（即短时间内访问过的更可能被再次访问），LRU效果较好。
   LRU算法需要记录各个页面使用时间的先后顺序。开销较大。
   两种可能的实现方法：
   1.维护一个页面链表：
   2. 页面栈：
   
   结果虽然可能不错但是寻找过程开销很大。

4. 时钟（clock）页面置换算法：
   LRU的近似，对FIFO的一种改进。找的不一定是最老的（由used bit访问位决定，只有1或0，不够准确）
   基本思路：
   

5. 二次机会法/Enhanced Clock algorithm：
   判断是不止基于used bit，也基于dirty bit（有写操作则为1），替换used bit和dirty bit都为0. 如果两个有一个为1，修改为0；若两个都为1，只修改used，故有两次机会
   

6. 最不常用算法（LFU）：
   当一个缺页中断发生时，选择访问次数最少的页面，淘汰之。
   实现方法：对每个页面加一个访问计数器，每当访问一次，计数器加一。发生缺页中断时，淘汰计数值最小的的页面。
   与LFU的区别：LFU考察的是访问次数越多越好，LFU是访问时间越短越好。
   问题：一个页面在进程开始时使用很多，但之后就不用了。实现也费时费力。解决办法：定期把次数寄存器右移一位（除2）

7. Belady现象，FIFO，LRU，Clock的比较
   belady现象：采用FIFO算法时，有时会出现分配的物理页面增加，缺页率反而也提高的异常现象。
   1 原因：FIFO置换特征与进程访问内存的动态特征是矛盾的，与置换算法的目标是不一致的（即替换较少使用的页面）。因此，被它置换出去的页面不一定是进程不会访问的。
   
   

8. 局部页替换算法的问题，工作集模型
   在之前的假设中，给每个程序分配的页帧是固定的，程序运行中上需要的页帧是动态变化的

工作集模型working set：


下图中，t2的局部性好于t1


常驻集：当前时刻实际驻留在内存当中的页面集合：

9. 两个全局置换算法：
工作集页面替换算法 ：滑动窗口

缺页率页面置换算法：

10. 抖动问题：