页面置换算法（OPT、FIFO、LRU、CLOCK、改进的时钟置换算法）

一、页面置换算法

• 请求分页 存储管理与 基本分页 存储管理的主要区别：
  ①、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【操作系统要提供请求调页功能，将缺失页面从外存调入内存】，然后继续执行程序。
  ②、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【操作系统要提供页面置换的功能，将暂时用不到的页面换出外存】。
  

（一）最佳置换算法（OPT）

• 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。
• 例：假设系统为某进程分配了三个内存块，并考虑到有一下页面号引用串（会依次访问这些页面）：7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1
  
• 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。

（二）先进先出置换算法（FIFO）

• 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
• 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。
• 例：假设系统为某进程分配了三个内存块，并考虑到有以下页面号引用串：3, 2, 1, 0, 3, 2, 4, 3, 2, 1, 0, 4
  
  
  
• 例：假设系统为某进程分配了四个内存块，并考虑到有以下页面号引用串：3, 2, 1, 0, 3, 2, 4, 3, 2, 1, 0, 4
  
• 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

（三）最近最久未使用置换算法（LRU）

• 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
• 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。
  
• 例：假设系统为某进程分配了四个内存块，并考虑到有以下页面号引用串：1, 8, 1, 7, 8, 2, 7, 2, 1, 8, 3, 8, 2, 1, 3, 1, 7, 1, 3, 7
  
• 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

（四）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）
• 简单的CLOCK 算法实现方法：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。
  ①、当某页被访问时，其访问位置为1。当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。
  ②、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，继续检查下一个页面，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（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）
  
• 例：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
  
  
  
  

（五）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。
• 为方便讨论，用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态。如（1，1）表示一个页面近期被访问过，且被修改过。
• 算法规则：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。
  
• 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。
  
• 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。
  
• 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。
  
• 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