面试知识点总结——操作系统页面置换算法

页面置换算法是在请求分页存储时，调页时候会用到的。页面置换算法的目标是，尽可能减少换入换出次数。常见的页面置换算法有：最优页面置换算法、先进先出算法、最近最久未使用算法（LRU）、时钟页面置换算法、二次机会算法和最不常用算法。我们还会介绍Belady现象。

算法介绍

1. 最优页面置换算法

   特点：

   • 替换未来很长时间都不会被访问的页面
   • 可保证最低缺页率
   • 由于需要预知未来，所以很难实现
   • 可用作其他算法的评价依据

   举例：

Time	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Request	c	a	d	b	e	b	a	b	c	d
0	c	c	c	c	c	c	c	c	c	c
1		a	a	a	a	a	a	a	a	a
2			d	d	e	e	e	e	e	d
3				b	b	b	b	b	b	b
缺页	×	×	×	×	×					×

2. 先进先出算法（FIFO）

特点：

• 选择在内存中驻留时间最长的页面置换，使用链表实现
• 实现简单

• 性能差，会出现Belady现象

  1. 最近最久未使用算法（LRU）

  特点：

• 选择最久未被使用的页面

• 它是最优算法的近似，对历史推测未来，依据程序局部性

• 使用栈来实现，但是需要较多的硬件支持，增加成本

  举例：

Time	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Request	c	a	d	b	e	b	a	b	c	d
0	c	c	c	c	e	e	e	e	e	d
1		a	a	a	a	a	a	a	a	a
2			d	d	d	d	d	d	c	c
3				b	b	b	b	b	b	b
缺页	×	×	×	×	×				×	×

4. 时钟页面置换算法（NRU）

特点：

• LRU的近似，FIFO的改进
• 用到页表项中的访问位
• 页面组织成环形链表，指向最老的页面

• 中断产生时，若指向的页面访问位为0，立即淘汰；若为1，则往下移动

  1. 二次机会算法

  特点：

• 利用dirty bit区分读写

• 对于只有读操作的页，若置换，只需释放，若有写操作，则需放回磁盘

  1. 最不常用算法（LFU）

  特点：

• 选择访问次数最少的页置换

• 计数器来统计

Belady现象

在FIFO算法中，当分配的物理页越多，产生缺页现象也会增多

原因：没有考虑到内存访问的动态性

比较

• FIFO和LRU本质均为先进先出，LRU考虑了页面最近访问时间
• clock近似LRU，clock开销小
• FIFO开销小，但是会出现Belady现象