4、操作系统内存管理——页面的换入换出

注：参考哈工大李治军老师公开课。

对于用户而言，用户看到的是一个整体的内存入4G，而且用户可以随便访问4G内存空间的任意位置；但是对于真实的物理内存可能只有1G大小，当用户访问内存时，如果内存里面有需要的内容，就直接访问；如果没有，就去磁盘上查找，然后再把需要找到的数据，再将这些数据载入到内存中供用户使用。那么在这个过程中就需要把磁盘上的数据写到内存里面（换入），也需要把内存中的一些数据写回磁盘上（换出）。

图一：虚拟内存与物理内存

请求调页（换入）

当用户访问一个页时，MMU回去查询一个操作系统维护的页表，看看用户访问的页是否存在于内存当中，如果存在，就直接调用；如果没有，就需要开启中断，执行页错误处理程序，在磁盘中找到相应的数据页，并在内存中找到一块空闲，将其载入进来，然后中断返回，执行用户程序，在去访问内存中用户需要的页。

图二：页面调入过程

页面置换（换出）

当我们不断地将页面换入内存当中，内存肯定会不足的，我们需要选择一些页面进行换出，为新的数据腾出空间，但是我们应该选择那些页面换出呢？以下主要讨论一些常用的换出策略。

备注：下面的例子默认内存只能存放三个页。

FIFO：先进先出页面置换，可能出现频繁的替换，例如例子图三中的A刚被换出，马上就被换入。

图三：FIFO算法示例

MIN算法：淘汰最远将使用的页，这是最优方案，但是这种方式需要知道程序未来的走向，这是很难实现的，例如if(…){…}只有在运行的过程中，才能知道程序的走向。

图四：MIN算法示例

LRU算法：用过去的历史预测将来。下面是几种LRU算法的实现方法：

LRU时间戳算法：就是用一张表（两列：一列是页编号，一列是对应页最近使用的时间），每次调用页都更新这张表。每次换出就换出那个时间最小对应的页。

图五：LRU时间戳算法

这个算法看似简单，但是麻烦的是操作系统需要一直维护这张表。

LRU页码栈算法：这是对LRU时间戳算法的一种变种，就是维护一个栈，当一个页面使用了，查询栈中的页码，如果栈中没有它的页码，就直接把它的页码放在栈底；如果有，就把栈中的那一项调整到栈顶，每次替换都替换栈底页码对应的页。这个算法一样有个问题，就是每次访问需要维护这张，需要消耗一定的代价。

图六：LRU页码栈算法

LRU—SCR算法：每页自动增加一个引用位，每次访问该页，就由硬件将该页的引用位设置位1，每次需要替换就由一根指针扫描每一页的引用位，如果引用位为1，就修改为0；如果为0，就将该页替换出去，并指向下一页。

图七：SCR算法

对于SCR算法，有一个问题，就是程序是具有局部性的，所以经常出现在替换间期内每一页都被访问过，当需要替换时，每一页的引用位都是1，这样每次被替换出去的就是指针所指的那一页，从而退化成了FIFO算法。

LRU—Clock算法： SCR算法中的问题原因就是替换期间比较长，在这个期间内每页都被访问了，那么解决方式就是引入一根更新指针，每隔一段时间，把所有页的引用位设置为0，通过这样的防止SCR算法的退化。打个比方：替换指针就是时钟上的分针，而更新指针就相当于时钟上的秒针。（系统常用）

图八：Clock算法

到此，页的换出算法就讨论完了。那么操作系统内存管理的整体轮廓也就出来了：

图九：操作系统内存管理的整体轮廓

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