操作系统——虚拟存储器（页面置换算法）

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地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则产生缺页中断。
当发生缺页中断时，如果操作系统内存中没有空闲页面，则操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。

一、最佳置换算法（OPT）

• 其所选择的被淘汰页面是以后永不使用的，或许是在未来最长时间内不再被访问的页面。
• 采用最佳置换算法，通常可以保证获得最低的缺页率。
• 但由于人们目前无法预知，哪个页面是未来最长时间不被访问的，所以该算法是无法实现的，但可以用该算法去评价其他算法。
  

二、先进先出页面置换算法（FIFO）

• 该算法总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。
• 这种算法的实现和队列是一样，OS维护一个当前在内存中的所有页面的链表，最新进入的页面在尾部，最久的在头部，每当发生缺页中断，就替换掉表头的页面并且把新调入的页面加入到链表末尾。
  

三、最近最久未使用置换算法（LRU）

• 当需要淘汰一个页面时，总是选择最近最久未使用的页面予以淘汰
  
• LRU 置换算法的硬件支持
  • 寄存器
    • 为了记录某进程唉内存中各页的使用情况，须为每个在内存中的页面配置一个移位寄存器。
      
  • 栈
    • 每当进程访问某页面时，便将该页面的页面号从栈中移出，将它压入栈顶。
    • 因此，栈顶始终是最新被访问的页面编号，栈底是最近最久未使用的页面编号。
      

四、最少使用置换算法（LFU）

• 采用该算法时，应为在内存中的每个页面设置一个移位寄存器，用来记录该页面被访问的频率。
• 当需要淘汰一个页面时，总是选择最近时期使用最少的页面予以淘汰。
• LFU 与 LRU 的访问图完全相同。

五、Clock置换算法（最近未使用算法 NRU）

• LRU算法的性能接近于OPT，但是实现起来比较困难，且开销大；
• FIFO算法实现简单，但性能差。所以操作系统的设计者尝试了很多算法，试图用比较小的开销接近LRU的性能，这类算法都是CLOCK算法的变体。
• 简单的CLOCK算法
  • 给每一帧关联一个附加位，称为使用位。当某一页首次装入主存时，该帧的使用位设置为1；当该页随后再被访问到时，它的使用位也被置为1。
  • 对于页替换算法，用于替换的候选帧集合看做一个循环缓冲区，并且有一个指针与之相关联。当某一页被替换时，该指针被设置成指向缓冲区中的下一帧。当需要替换一页时，操作系统扫描缓冲区，以查找使用位被置为0的一帧。
  • 每当遇到一个使用位为1的帧时，操作系统就将该位重新置为0；如果在这个过程开始时，缓冲区中所有帧的使用位均为0，则选择遇到的第一个帧替换；如果所有帧的使用位均为1,则指针在缓冲区中完整地循环一周，把所有使用位都置为0，并且停留在最初的位置上，替换该帧中的页。
  • 由于该算法循环地检查各页面的情况，故称为CLOCK算法，又称为最近未用(Not Recently Used, NRU)算法。
    
• 改进的 Clock 算法
  • CLOCK算法的性能比较接近LRU，而通过增加使用的位数目，可以使得CLOCK算法更加高效。在使用位的基础上再增加一个修改位，则得到改进型的CLOCK置换算法。这样，每一帧都处于以下四种情况之一：
    • 最近未被访问，也未被修改(u=0, m=0)。
    • 最近被访问，但未被修改(u=1, m=0)。
    • 最近未被访问，但被修改(u=0, m=1)。
    • 最近被访问，被修改(u=1, m=1)。
  • 算法执行如下操作步骤：
    • 从指针的当前位置开始，扫描帧缓冲区。在这次扫描过程中，对使用位不做任何修改。选择遇到的第一个帧(u=0, m=0)用于替换。
    • 如果第1)步失败，则重新扫描，查找(u=0, m=1)的帧。选择遇到的第一个这样的帧用于替换。在这个扫描过程中，对每个跳过的帧，把它的使用位设置成0。
    • 如果第2)步失败，指针将回到它的最初位置，并且集合中所有帧的使用位均为0。重复第1步，并且如果有必要，重复第2步。这样将可以找到供替换的帧。
  • 改进型的CLOCK算法优于简单CLOCK算法之处在于替换时首选没有变化的页。由于修改过的页在被替换之前必须写回，因而这样做会节省时间。

六、页面缓冲算法（PBA）

七、访问内存的有效时间