操作系统_清华大学(向勇、陈渝)-笔记-第六章-页面置换算法

内容

功能：缺页中断+物理帧已满，选择一个页面进行置换。
目标：尽量减少换入换出的次数。
页面锁定：一些页面需要常驻内存，设置一个锁定标志位。

最优页面置换算法

当一个缺页中断发生时，对于保存在内存中的每一个逻辑页面，计算它的下一次访问之前，还需要多长时间，从中选择等待时间最长的那个，作为被置换的页面。
但是下次访问是随机的，这种假设过于理想，这种算法只可以作为一种评价标准，在已有了一系列页面访问记录时才可以得出这种算法的结论。
一个其他算法效果越接近最优页面置换算法，其效果越好。
栗子：

这里要淘汰d出去

先进先出算法

淘汰驻留在内存中时间最久的页面，就是维护一个队列管理页面。
评价：性能较差，调出的页面可能是经常要访问的页面，并且有Belady线性，FIFO很少单独使用。

最久未被使用算法

简称LRU算法，选择最久未被使用的那个页面，并淘汰之。这是对最优页面置换算法的一个近似（使用过去的数据）。
根据程序的局部性原理，推测最近一直被使用的在未来也会被一直使用。
LRU算法有较大开销，其实现可以是：ordered_dict的数据结构，其底层可以由双向链表+hash表实现。

时钟页面置换算法

对LRU的近似，对FIFO的改进。
成立基础：

• 需要用到页表项当中的访问位，当一个页面被装入内存时，把该位初始化为0，然后如果这个页面被访问，则设置为1。这部分由硬件完成。
• 操作系统会对一定时间没有使用过的页的访问位置0。

算法：
把各个页面组织为环形链表，然后把指针指向最老的页面，当发生缺页中断时，考察指针所指向的最老页面，若它的访问位为0，立即淘汰，若访问位为1，则置0，指针向下移动一格，如此循环，直到找到淘汰页面。
栗子：

总的来说，也是希望淘汰最久未被使用的，但是做了一项近似，最后清除的是某个超过一段时间未被使用过的页面。
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听说这个才叫二次机会法？

二次机会

目的是减少写回硬盘的操作。使用一个dirty bit记录当前页面是否有被写过，若页面没有被写过，也就不用再写回硬盘了。
dirty bit也是硬件自动生成的。

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个人评价：
我感觉有点问题，dirty bit再次设置为0后，如何判断是直接释放还是写回？
要是一律都直接写回的话，那最终结果就是说，写过的页面驻留内存的优先级更高一级，相当于带了一个不朽盾/复活甲~，用了一次就没了。那最后其实还是没有减小写回硬盘，因为都要再写回硬盘。

最常不使用法

基本思路：选择替换被访问次数最少的那个页面。
实现：对每个页面设置一个访问计数器。可以维持一个小顶堆来解决。
但是设置一个访问计数器，对硬件成本有要求。

Belady现象（女装现象（划掉），一个科学家名字）

采用FIFO算法时，有时候会出现分配的物理页面数增加，缺页率反而提高的异常现象。
栗子：
分配三个帧

分配四个帧

与之对比的是LRU算法：

却没有Belady现象。

LRU满足栈算法的特点，所以有越多的帧，那么命中率就更高。
但是FIFO算法则不满足栈算法的特点。

LRU、FIFO、Clock的比较

FIFO：只利用了页面进入内存的时间，开销较小。
LRU：利用的是页面最近访问时间，开销很大。
当程序不具备局部性原理时，LRU会退化为FIFO。
Clock：对LRU的近似，利用一个访问位来表示最近访问时间，但不一定能精确追踪的最久未被使用的，只需要一次遍历就可以找到结果，开销介于FIFO和LRU之间。

工作集模型

问题：如何证明程序的局部性原理是成立的？
一个进程正在使用的逻辑页面的集合，称之为工作集，可以用一个二元函数\(W(t, \Delta)\)里表示，其中\(t\)是当前时刻，\(\Delta\)是一个定长的页面访问时间窗口，称之为工作集窗口。函数记录的是当前时间窗口内的所有页面。
栗子：

常驻集：当前时刻，进程实际驻留在内存中的页面集合。工作集是程序的固有属性，而常驻集是与页面置换算法和被分配的内存大小有关。
如果工作集都在内存当中，常驻集==工作集，那么程序运行就很顺利。当分配帧到一定大小后，再分配帧提升就很小。

两个全局置换算法

分配给某个程序的物理帧数目不是固定的。

抖动问题