清华向勇《操作系统 》学习笔记6：页面置换算法
文章目录
- 6.1 页面置换算法概念
- 6.2 局部页面置换算法
- 6.2.1 最优置换算法（OPT）
- 6.2.2 先进先出算法（FIFO）
- 6.2.3 最近最久未使用算法（LRU）
- 6.2.4 时钟算法（Clock）
- 6.2.5 最不常用算法（LFU）
- 6.2.6 Belady现象
- 6.2.7 几种算法的对比
- 6.3 全局页面置换算法
- 6.3.1 背景
- 6.3.2 工作集置换算法
- 6.3.3 缺页率置换算法
6.1 页面置换算法概念
本节强烈建议看视频：课程第九讲。其中给出了大量的动画示例，有助于理解。
另外，我认为需要足量的练习。留待下一阶段
处理缺页异常（需要调入新页面而内存已满）时，用于选择被置换的物理页面的算法。
设计目标：减少调入调出次数，寻找未来不再访问或短期内不访问的页面调出
在给出页面置换的结构之前，我们有一类特例，即不被替换的页面：
页面锁定（frame locking）
- 操作系统的关键部分，描述必须常驻的逻辑页面，这部分页面对响应速度有要求
- 利用页表中的锁定标志位来实现
评价方法：页面轨迹统计，模拟页面置换行为，记录缺页次数
页面置换算法分类：
- 局部页面置换算法（选择范围仅限当前进程占用的物理页面）
- 最优算法：全知全能，量身定制
- 先进先出算法：先调入的页先调出
- 最近最久未使用算法：一个统计方法，实现较麻烦
- 时钟算法，最不常用算法
- 全局置换算法（选择防卫是所有可换出的物理页面）
- 工作集算法
- 缺页率算法
6.2 局部页面置换算法
6.2.1 最优置换算法（OPT）
置换在未来的最长时间不访问的页面。
缺页时计算内存中每个逻辑页面的下一次访问时间。全知全能，缺页次数最少，是理想情况。
- 实际系统中无法实现
- 无法预制每个页面在下次访问前的等待时间
- 但具有理论意义：用于评定置换算法的性能
6.2.2 先进先出算法（FIFO）
由于上述以未来情况为依据的算法不可实现，所以我们要使用如下的基于过去情况的算法。
选择在内存中驻留时间最长的页面进行置换，即FIFO算法。
具体实现过程通过维护一个记录所有位于内存中的逻辑页面队列（双向链表）实现。
实现简单
性能较差，调出的页面可能是经常访问的
Belady现象：进程分配物理页面数增加时，缺页并不一定减少，例子（内存中能装4页，但实际有5页，最优算法为2次）：
很少单独使用
6.2.3 最近最久未使用算法（LRU）
Least Recently Used（LRU）
选择最长时间没有被引用的页面进行置换
局部性原理表明你，如某些页面长时间未被访问，则它们在将来可能会长时间不会访问
缺页时，计算内存中每个逻辑页面的上一次访问时间，排序找最远。
LRU是最优置换算法的一种近似，但由于算法复杂度过大，仍然在实际情况中无法实施。
实际实现可以使用页面链表或者活动页面栈来构建优先队列，从而降低复杂度：
- 队头：最久未使用的
- 队尾：刚刚使用过的
当然维护队列维护队列所带来的复杂度也是不可小视的。
6.2.4 时钟算法（Clock）
前面两种算法各有优劣，FIFO考虑得太过简单，导致性能较差，而LRU的核心问题在于统计得过于仔细，所以难以实施。
所以考虑对页面访问的情况进行大致统计。
- 在页表项中增加访问位，描述页面在过去一段时间中的访问情况。形成环形链表。
- 缺页时，从指针处开始顺序查找未被访问（LRU因素）的第一个（FIFO因素）页面进行置换。
- 有环、有指针，所以形象地称为时钟算法。它是LRU和FIFO的折中。
算法描述如下：
页面装入内存
初始化为0
访问页面没有缺页置1缺页循环，从当前指针位置顺序检查环形链表访问位为0：替换退出循环为1：访问位置零继续查找
一个示例如下：
改进的clock算法，
合并写出的延时
6.2.5 最不常用算法（LFU）
每个页面增加访问计数，访问页面时，计数加1；
缺页时置换计数最小的页面。
相比于优先队列来说，附加一个计数器（只是一个成员）的链表是比较好维护的。
问题：
- 算法开销较大（不论是时间还是空间，标志位数也增加了不少）
- 开始时频繁使用，但以后不使用（计数定期右移）
6.2.6 Belady现象
采用FIFO等算法时可能出现分配的物理页数增加但缺页次数增加的现象。
比如对于1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5这个序列，
- 如果FIFO队列长为3，缺页次数为9，
- 如果FIFO队列长为4，缺页次数为10
原因是
- FIFO算法的置换特征与局部性原理不相符。
- 与进程访问的动态特征相矛盾。
被它置换出去的页面并不一定是进程近期不会访问的。
哪些算法没有Belady现象？（了解）
- LRU没有Belady现象，思考为什么
- Clock和改进Clock是否有，为什么
6.2.7 几种算法的对比
都是依据时间排序，LRU依据页面最近访问时间排序，FIFO依据页面进入内存的时间排序
LRU需要动态调整，FIFO页面进入时间固定不变
LRU性能较好，但是系统开销较大，FIFO开销较小，但是会发生Belady现象。Clock算法是一种折中。
LRU可以退化成FIFO，比如页面进入内存之后没有被访问，最近访问时间就和最近进入内存的时间同（LRU适合单曲循环，但放电视剧只用FIFO即可）。这时LRU和Clock算法表现也相同
6.3 全局页面置换算法
6.3.1 背景
很多时候，很少量的页面数限制成为算法的瓶颈，比如这个例子：
增加一个物理页面之后，整个置换过程中缺页数量都大大减小。
因而我们思考，可以通过进程之间的物理页面数目的均衡，来改善不同进程的置换算法的表现。
全局置换算法就为进程分配可变数目的物理页面。
- 进程在不同阶段的内存需求是变化的。
- 分配给进程的内存也需要在不同阶段也不同。
- 全局置换算法需要确定分配给进程的物理页面数
CPU利用率与并发进程数相互相互促进、相互制约。
- 进程数少时，提高并发进程数，可以提高CPU利用率
- 并发进程导致内存访问增加
- 并发进程的内存访问会降低访存的局部性特征（各自为政的害处qwq）
6.3.2 工作集置换算法
这也能表现出局部性原理的正确性。
常驻集：当前时刻，进程实际驻留在内存中的页面集合。
工作集置换算法和LRU相似，但是是在访存时将不在工作集内的页面换出。
在缺页时直接补入。
6.3.3 缺页率置换算法
缺页率（page fault rate）：
P F R = 缺 页 次 数 / 访 存 次 数 或 1 M T B F PFR = {缺页次数}/{访存次数}\quad或\quad \frac{1}{MTBF} PFR=缺页次数/访存次数或MTBF1
通过调节常驻集大小，使每个进程的缺页率保持在一个确定的范围内
- 如果PFR过高，则增加常驻集大小
- 如果PFR过低，则会降低并发度，使CPU利用率下降
具体实现时：
- 访存时，设置引用位标志
- 缺页时，计算MTBF
- 如果MTBF>T，则置换所有这个区间中未被引用的页
- 如果MTBF<T，则增加缺失页到常驻集
负载控制
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