页面置换算法

 在请求分页存储管理系统中，由于使用了虚拟存储管理技术，使得所有的进程页面不是一次性地全部调入内存，而是部分页面装入。可能出现要访问的页面不在内存，这时系统产生缺页中断。操作系统在处理缺页中断时，要把所需页面从外存调入到内存中。如果这时内存中有空闲块，就可以直接调入该页面；如果这时内存中没有空闲块，就必须先淘汰一个已经在内存中的页面，腾出空间，再把所需的页面装入，即进行页面置换。 

（1）最佳(Optimal)置换算法/OPT算法（OPTimal replacement algorithm）：

• 淘汰以后永不使用的或是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。

  例子：系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下的页面号引用串：
  7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1

  

  进程运行时，先将7，0，1 三个页面装入内存。以后，当进程要访问页面2 时，将会产生缺页中断。此时OS根据最佳置换算法，将选择页面7 予以淘汰。这是因为页面0 将作为第5 个被访问的页面，页面1 是第14 个被访问的页面，而页面7 则要在第18 次页面访问时才需调入。下次访问页面0时，因它已在内存而不必产生缺页中断。当进程访问页面3时，又将引起页面1 被淘汰；因为，它在现有的1，2，0 三个页面中，将是以后最晚才被访问的。下图所示出了采用最佳置换算法时的置换图。由图可看出，采用最佳置换算法发生了6 次页面置换。

• 方法：
  （1）先看物理块中是否有置换的页面数，没有的话产生缺页中断，有的话，不需要进行置换数据，直接走下去。
  （2）产生缺页中断的需要置换，看后续出现的最晚与物理块的页面吻合的页面数/不再出现页面数，要先去除，因为我们需要淘汰以后永不使用的或是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。

• 优点：
  保证获取最低的缺页率。

• 缺点：
  无法预知一个进程在内存的若干页面，那个在未来最长时间内不再被访问，是一种无法实现的算法。

（2）随机算法/RAND算法（Random algorithm）：

• 随机淘汰。利用软件或硬件的随机数发生器来确定主存储器中被替换的页面。

• 优点：
  算法最简单，而且容易实现。

• 缺点：
  这种算法完全没有利用主存储器中页面调度情况的历史信息，也没有反映程序的局部性，所以命中率比较低。性能不稳定。

（3）先进先出算法/FIFO算法（First-In First-Out algorithm）：

• 淘汰最先调入主存储器的页面。

进程运行时，先将7，0，1 三个页面装入内存。以后，当进程要访问页面2 时，将会产生缺页中断。此时OS根据先进先出算法，将选择页面7 予以淘汰。这是因为页面7 最先调用，下次访问页面0时，因它已在内存而不必产生缺页中断。当进程访问页面3时，又将引起页面1 被淘汰。由图可看出，采用先进先出算法发生了12次页面置换。

• 优点：
  比较容易实现，能够利用主存储器中页面调度情况的历史信息。

• 缺点：
  没有反映程序的局部性。因为最先调入主存的页面，很可能也是经常要使用的页面。

(4) 近期最少使用算法/LFU算法（Least Frequently Used algorithm）：

• 淘汰选择近期最少访问的页面。因为到目前为止最少使用的页面，很可能也是将来最少访问的页面。

• 优点：
  充分利用了主存中页面调度情况的历史信息，又正确反映了程序的局部性。

• 缺点：
  种算法实现起来非常困难，它要为每个页面设置一个很长的计数器，并且要选择一个固定的时钟为每个计数器定时计数。在选择被替换页面时，要从所有计数器中找出一个计数值最大的计数器。

(5) 最久没有使用算法/LRU算法（Least Recently Used algorithm）：

• 淘汰近期最久没有被访问过的页面。核心思想是“如果数据过去被访问多次，那么将来被访问的频率也更高”。

进程运行时，先将7，0，1 三个页面装入内存。以后，当进程要访问页面2 时，将会产生缺页中断。此时OS根据最久没有使用算法，将选择页面7 予以淘汰。这是因为页面7 是过去时间内在7，0，1三个页面中没有新操作的。下次访问页面0时，因它已在内存而不必产生缺页中断。当进程访问页面3时，又将引起页面1 被淘汰；因为，它在过去时间内的2，0，1三个页面中，是最早被访问的，即近期最久没有被访问过。下图所示出了采用 近期最少使用算法时的置换图。由图可看出，采用最佳置换算法发生了9次页面置换。

• 方法：
  LRU算法选择过去一段时间里最久未被使用的页面。若出现缺页，从该页向前查找，先找到的M-1个页面保留在内存，另外那个替换掉。

• 优点：
  它把LFU算法中要记录数量上的”多”与”少”简化成判断”有”与”无”，因此，实现起来比较容易。**