页面置换算法
页面置换算法概念
功能
当出现缺页异常，需调入新页面而内存已满时，使用置换算法选择被置换的物理页面。
目标
- 尽可能减少页面的调入调出次数
- 把未来不再访问或短期内不访问的页面调出
分类
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局部页面置换算法
置换页面的选择范围仅局限于当前进程占用的物理页面内
-
全局页面置换算法
置换页面的选择范围时所有可换出的物理页面
局部页面置换算法
最优算法
思路
该算法是基于未来的情况决定当前最优的置换页面，一般会置换掉未来最长时间不访问页面，由于是基于未来的情况对当前做出变化，因此为置换最优算法。
实现
- 缺页时，计算内存中每个逻辑页面的下一次访问时间
- 选择未来最长时间不访问的页面
特征
- 缺页最少，是理想情况
- 由于是基于未来的情况，所以比较难于实现，计算机很难能够预测将要发生的事
- 该算法可作为衡量其他算法的标准，即算法的缺页次数越接近最优算法，则此算法越合适
先进先出算法 （First-In First-Out, FIFO）
思路
该算法会记录每个页面加载进内存的时间，当发生缺页异常时，会将最先加载进来的页面优先置换出去，即选择在内存驻留时长最长的页面进行置换。
实现
- 维护一个记录所有位于内存中的逻辑页面链表
- 链表元素按驻留内存的时间排序，链首最长，链尾最短
- 出现缺页时，选择链首页面进行置换，新页面加到链尾
特征
- 实现简单
- 性能较差，调出的页面可能经常被访问
- 进程分配物理页面数增加时，缺页并不一定减少（Belady现象）
- 很少单独使用
最近最久算法 （Least Recently Used, LRU）
思路
- 选择最长时间没有被引用的页面进行置换
- 如果某些页面长时间未被访问，则它们在将来还可能长时间不会访问
实现
- 缺页时，计算内存中每个逻辑页面的上一次访问时间
- 选择上一次使用到当前时间最长的页面
特征
- 最优算法的近似，基于历史的访问时间来分析
- 需要单独维护访问的记录链表，每次访问都需要更新记录链表，开销太大
可能的实现方法
页面链表
- 系统维护一个按最近一次访问时间排序的页面链表
- 链表首节点时最近刚刚使用过的页面
- 链表尾节点时最久未使用的页面
- 访问内存时，找到相应页面，并把它移到链表之首
- 缺页时，置换链表尾节点的页面
活动页面栈
- 访问页面时，将此页号压入栈顶，并将栈内相同页号抽出
- 缺页时，置换栈底的页面
时钟置换算法 （Clock）
思路
仅对页面的访问情况进行大致统计
数据结构
- 在页表项中增加访问位，描述页面在过去一段时间的访问情况
- 各页面组织成环形链表
- 指针指向最先调入的页面
算法
- 访问页面时，在页表项记录页面访问情况
- 缺页时，从指针处开始顺序查找尾被访问的页面进行置换
特征
是LRU和FIFI和折中
实现
- 页面装入内存时，访问位初始化为0
- 访问页面（读/写）时，访问位置1
- 缺页时，从指针当前位置顺序检查环形链表
- 访问位为0，则置换该页
- 访问位为1，则访问位置0，并指针移动到下一个页面，直到找到可置换的页面
改进的Clock算法
算法
减少修改页的缺页处理开销
算法
- 在页面中增加修改位，并在访问时进行相应修改
- 缺页时，修改页面标志位，以跳过有修改的页面
最不常用算法 （Least Frequently Used, LFU）
实现
- 每个页面设置一个访问计数
- 访问页面时，访问技术加1
- 缺页时，置换技术最小的页面
特征
- 算法开销大
- 开始时频繁使用但以后不使用的页面很难置换
- 解决方法：计数定期右移
LRU和LFU的区别
- LRU关注多久未访问，时间越短越好
- LFU关注访问次数，次数越多越好
全局页面置换算法
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工作集置换算法
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缺页率置换算法
