存储管理 - 页面置换算法详解

1 概述

2 存储管理

2.1 页式存储

• 页式存储：将 程序 与 内存 均划分为 同样大小的块，以 页 为单位将程序调入内存。
• 地址区分：程序中为高级程序语言，使用逻辑地址；内存中使用物理地址。
  • 逻辑地址 = 页号 + 页内地址
  • 物理地址 = 页帧号（物理块号） + 页内地址
• 优缺点
  • 优点：利用率高，碎片小，分配及管理简单
  • 缺点：增加了系统开销（多了 页表），可能产生抖动现象
• 图示：其中 页表 为逻辑地址 与 物理地址 之间的对照关系
  
• 例如：页式存储系统中，每个页大小为 4KB，逻辑地址为 10 1100 1101 1110，则对应的物理地址为 110 1100 1101 1110
  • 每个页的大小为 4KB，默认按字节编址（B）那么页内地址长度 = 4 * 1024 B = $2^2\ast 2^{10}$ B = $2^{12}$ B，也就是 12 个 2进制位
  • 已知逻辑地址：10 1100 1101 1110 （页内地址长度为12，可知后12位为页内地址，$(10{)}_2$ 为页号，即页号为 2）
  • 可知物理地址为：根据页号去找块号，如上图，页号2 对应 块号6，6的二进制为110，则物理地址：110 1100 1101 1110

2.2 页面置换算法

2.2.1 先进先出 FIFO

• FIFO：First In First Out（先进先出）

• 原理：最先进入内存的页面，最先退出内存（向前看）

• 效率：FIFO 算法只是在按线性顺序访问地址空间时，才是最理想的，否则效率不高。因为那些常被访问的页，往往在内存中也停留得最久，结果它们因变 “老” 而不得不被置换出去。

• 举例：考虑下述页面走向：1,2,3,4,2,1,5,6,2,1,2,3,7,6,3,2,1,2,3,6。当内存块数量为 3 时，问先进先出置换算法（FIFO）的缺页次数是多少？（所有内存块最初都是空的，凡是第一次用到的页面都产生一次缺页）

  

  • 缺页：在块中找不到对应的页面（写入块中，缺页为 ×）；反之，可以找到（块内容保持不变，缺页为 √）
  • 红色字体：置换的部分（下同）；蓝色背景：该页面可以在块中的位置

2.2.2 最佳置换法 OPT

• OPT：optimum（最佳的）
• 原理：置换最长时间不需要访问的页面（向后看）
• 理论：这是一种理想情况下的页面置换算法，但实际上不可能实现。因为无法预测之后出现的是哪个页面。
  

2.2.3 最近最少使用 LRU

• LRU：Least Recently Used（最近最少使用）
• 原理：置换最近最少使用的页面（向前看）