页表置换算法之最佳置换算法(OPT)，先进先出置换算法(FIFO)，最近最久未使用置换算法(LRU)，时钟置换算法(CLOCK)

请求分页存储管理与基本分页存储管理的主要区别:

• 在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。
• 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。
• 页面的换入、换出需要磁盘I/O，会有较大的开销，因此好的页面置换算法应该追求更少的缺页率。

1.最佳置换算法(OPT)

1.定义

最佳置换算法（OPT，Optimal)：
每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，
这样可以保证最低的缺页率。

2.例题

整个过程缺页中断发生了9次，页面置换发生了6次。缺页率：9/20= 45%
注意：

• 缺页时未必发生页面置换。
• 若还有可用的空闲内存块，就不用进行页面置换。

最佳置换算法可以保证最低的缺页率，但实际上，
只有在进程执行的过程中才能知道接下来会访问到的是哪个页面。
操作系统无法提前预判页面访问序列。
因此，最佳置换算法是无法实现的。

2.先进先出置换算法(FIFO)

1.定义

先进先出置换算法（FIFO):每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面。

2.实现方法:

把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列,需要换出页面时选择队头页面即可。
队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块。

3.例题

• Belady异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。
• 只有 FIFO算法会产生Belady异常。
• 另外，FIFO算法虽然实现简单，但是该算法与进程实际运行时的规律不适应，因为先进入的页面也有可能最经常被访问。因此，算法性能差

3.最近最久未使用置换算法(LRU)

1.定义

最近最久未使用置换算法（LRU，least recently used):每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面

2.实现方法:

赋予每个页面对应的页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t。
当需要淘汰一个页面时，选择现有页面中t值最大的，即最近最久未使用的页面。

3.例题

• 在手动做题时，若需要淘汰页面，可以逆向检查此时在内存中的几个页面号。
• 在逆向扫描过程中最后一个出现的页号就是要淘汰的页面。
• 该算法的实现需要专门的硬件支持，虽然算法性能好，但是实现困难，开销大。

4.时钟置换算法(CLOCK)

最佳置换算法性能最好，但无法实现;
先进先出置换算法实现简单，但算法性能差;
最近最久未使用置换算法性能好，是最接近OPT算法性能的，但是实现起来需要专门的硬件支持，算法开销大。

时钟置换算法是一种性能和开销较均衡的算法，又称CLOCK算法，
或最近未用算法(NRU，NotRecently Used)

1.简单的CLOCK算法实现方法：

1. 为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。
2. 当某页被访问时，其访问位置为1。
3. 当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。
4. 如果是0，就选择该页换出;如果是1，则将它置为0，暂不换出
5. 继续检查下一一个页面，若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描
6. (第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面，因此简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描)

2.例题

假设系统为某进程分配了五个内存块，并考虑到有以下页面号引用串:1，3，4，2，5，6，3，4，7

5.改进型的时钟置换算法

简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。
事实上，如果被淘汰的页面没有被修改过,就不需要执行I/O操作写回外存。
只有被淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存。

因此，除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外，操作系统还应考虑页面有没有被修改过。
在其他条件都相同时，应优先淘汰没有修改过的页面，避免I/O操作。
这就是改进型的时钟置换算法的思想。
修改位=0，表示页面没有被修改过;修改位=1，表示页面被修改过。

1.算法规则

为方便讨论，用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态。
将所有可能被置换的页面排成一个循环队列

1. 第一轮：从当前位置开始扫描到第一个（0,0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位。(第一优先级:最近没访问,且没修改的页面)
2. 第二轮：若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,1）的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0。（第二优先级:最近没访问,但修改过的页面）
3. 第三轮：若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0,0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位。（第三优先级:最近访问过,但没修改的页面）
4. 第四轮：若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0,1）的帧用于替换。（第四优先级:最近访问过,且修改过的页面）

由于第二轮已将所有帧的访问位设为0，因此经过第三轮、第四轮扫描一定会有一个帧被选中，因此改进型CLOCK置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描