操作系統(tǒng)--虛頁面管理之頁面置換算法

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系統(tǒng)的內(nèi)存并不是無限大，操作系統(tǒng)會為每個(gè)程序分配內(nèi)存，當(dāng)訪問的地址塊不在內(nèi)存中，就要從外存（即硬盤，U盤等）調(diào)入，這就是所說的缺頁異常。

當(dāng)發(fā)生缺頁異常時(shí)，操作系統(tǒng)會選擇一個(gè)頁面進(jìn)行換出從而為新進(jìn)來的頁面騰出空間。對于被置換的頁面有以下情況：

如果要被換出的頁面只被訪問而沒被修改，那么直接將此頁面丟棄。

如果要被換出的頁面被修改，那么為了使得外存中的數(shù)據(jù)保證正確，先要將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入外存，然后在丟棄。

雖然，被置換頁面的可以隨機(jī)選擇，但是不同的選擇，所導(dǎo)致后續(xù)系統(tǒng)訪存開銷是不一樣，甚至?xí)霈F(xiàn)很極端的情況，每次訪存都發(fā)生缺頁中斷，極大的增加系統(tǒng)額外的訪存開銷。

很多的頁面置換算法被提出用于操作系統(tǒng)，但是在其他各類應(yīng)用，無論是數(shù)學(xué)還是經(jīng)濟(jì)學(xué)都有類似的涉獵，今天我們就來討論一下這些算法。

OPT算法（最佳置換算法）

算法特點(diǎn)：

最佳置換算法是由 Belady 于1966年提出的一種理論上的算法。每次選擇以后永不使用的， 或許是在最長(未來)時(shí)間內(nèi)不再被訪問的頁面的頁面被淘汰。顯然OPT算法是最優(yōu)的，但是在實(shí)際操作往往無法預(yù)知未來，所以O(shè)PT只存在理論而不能真的實(shí)現(xiàn)，通常用于衡量其他置換算法的優(yōu)劣。

算法流程：

在缺頁中斷發(fā)生時(shí)，首先從 主存中移出永遠(yuǎn)不再需要的頁面；如無這樣的頁面存在，則選擇最長時(shí)間不需要訪問的頁面。

舉例如下：

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缺頁9次，總訪問次數(shù)12次缺頁率：6/12 = 50%

FIFO算法（先進(jìn)先出置換算法）

Belady異常：

采用FIFO算法時(shí)，如果對一個(gè)進(jìn)程未分配它所要求的全部頁面，有時(shí)就會出現(xiàn)分配的頁面數(shù)增多但缺頁率反而提高的異常現(xiàn)象。

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實(shí)現(xiàn)方法：

最簡單的頁面置換算法，每次淘汰最先調(diào)入內(nèi)存的頁面。由操作系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)所有在當(dāng)前內(nèi)存中的頁面的鏈表，最早進(jìn)入的放在表頭，最新進(jìn)入的頁面放在表尾，每次淘汰隊(duì)首頁面。因?yàn)橄冗M(jìn)入的頁面可能已經(jīng)使用完畢，所以不會再被使用的概率可能性較大，優(yōu)先淘汰。但是FIFO容易產(chǎn)生Belady異常。

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該算法實(shí)現(xiàn)比較簡單，對具有線性順序訪問的程序比較合適，而對其他情況效率不高。因?yàn)榻?jīng)常被訪問的頁面，往往在內(nèi)存中停留最久，結(jié)果這些常用的頁面卻因變老而被淘汰。

舉例如下：

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缺頁9次，總訪問次數(shù)12次缺頁率：9/12 = 75%

LRU算法 (最近最久未使用算法)

利用局部性原理，根據(jù)一個(gè)作業(yè)在執(zhí)行過程中過去的頁面訪問==歷史來推測未來==的行為。它認(rèn)為過去一段時(shí)間里不曾被訪問過的頁面，在最近的將來可能也不會再被訪問。所以，這種算法的實(shí)質(zhì)是：當(dāng)需要淘汰一個(gè)頁面時(shí)，總是選擇在最近一段時(shí)間內(nèi)最久不用的頁面予以淘汰。 即淘汰最近最長時(shí)間未訪問過的頁面。

LRU置換算法的硬件支持

• 寄存器為每個(gè)在內(nèi)存中的頁面配置一個(gè)移位寄存器，用來記錄某進(jìn)程在內(nèi)存中各頁的使用情況。移位寄存器表示為R=Rn-1Rn-2Rn-3…R2R1R0當(dāng)進(jìn)程訪問某物理塊時(shí)，要將相應(yīng)寄存器的Rn-1位置成1;同時(shí)，每隔一定時(shí)間將寄存器右移一位；如果把n位寄存器的數(shù)看作一個(gè)整數(shù)，那么具有最小數(shù)值的寄存器所對應(yīng)的頁面，就是最近最久未使用的頁面。

• 棧利用一個(gè)特殊的棧來保存當(dāng)前使用的各個(gè)頁面的頁面號。每當(dāng)進(jìn)程訪問某頁面時(shí)，便將該頁面的頁面號從棧中移出，將它壓入棧頂。因此，棧頂始終是最新被訪問頁面的編號，而棧底則是最近最久未使用頁面的頁面號。

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舉例如下：

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缺頁7次，總訪問次數(shù)12次缺頁率：7/12 = 58.3%

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實(shí)際上，LRU算法根據(jù)各頁以前的情況，是“向前看”的，而最佳置換算法則根據(jù)各頁以后的使用情況，是“向后看”的。LRU性能較好，但需要寄存器和棧的硬件支持。

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LRU是堆棧類的算法。理論上可以證明，堆棧類算法不可能出現(xiàn)Belady異常。

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FIFO算法基于隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，不是堆棧類算法。

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LRU算法的性能接近于OPT，但是實(shí)現(xiàn)起來比較困難，且開銷大；FIFO算法實(shí)現(xiàn)簡單，但性能差。

Clock算法（時(shí)鐘置換算法）

也稱為NRU算法（最近未使用算法）是LRU和FIFO的折中算法。

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實(shí)現(xiàn)：CLOCK算法是給每一個(gè)頁面設(shè)置一個(gè)訪問位，用來標(biāo)識是否最近被訪問過，Clock維護(hù)的是內(nèi)存中頁面組成的循環(huán)鏈表。當(dāng)頁面被裝入內(nèi)存時(shí)，或是內(nèi)存中的頁面被訪問時(shí)，訪問位被置為1。若內(nèi)存已被裝滿，那就需要淘汰一個(gè)頁面，于是指針就從上一個(gè)被淘汰的頁面的下一個(gè)位置開始，順序去遍歷這循環(huán)列表，訪問到訪問位為1的頁面時(shí)，就把該訪問位置0，繼續(xù)遍歷，只要遇到訪問位為0的頁面時(shí)，淘汰該頁面。其實(shí)調(diào)入內(nèi)存也是訪問，那么上面就變成了：

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訪問則置1

替換則遍歷

遍歷遇1置0，遇0替換。

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舉例如下：

內(nèi)存中共分配3個(gè)頁面資源

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改進(jìn)后的Clock算法(二次機(jī)會法）

由 訪問位A 和 修改位M 可以組合成下面四種類型的頁面：

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最近既未被訪問，又未被修改(Visit=0, Modify=0) ：是最佳淘汰頁。

最近未被訪問，但已被修改(Visit=0, Modify=1)：并不是很好的淘汰頁。

最近已被訪問， 但未被修改(Visit=1, Modify=0)：該頁有可能再被訪問。

最近已被訪問且被修改(Visit=1, Modify=1)：該頁可能再被訪問。

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執(zhí)行過程：5. 查找00，有，淘汰，算法結(jié)束！繼續(xù)循環(huán)直到一圈結(jié)束，未找到則下一步；6. 查找01，有，淘汰，算法結(jié)束！未找到繼續(xù)循環(huán)遍歷直到一圈結(jié)束，在此過程中將Visit位置為“0”，未找到則下一步；7. 重復(fù)第一步。

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優(yōu)點(diǎn)：減少磁盤I/O；缺點(diǎn)：幾輪掃描，增加開銷！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的OS酱：“哎呀内存太小了，人家又缺页了！”的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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