操作系统 请求分页存储管理方式（含页面置换算法）
1. 请求分页存储管理方式
请求分页系统是建立在基本分页基础上的，为了能支持虚拟存储器功能，而增加了请求调页功能和页面置换功能。
相应地，每次调入和换出的基本单位都是长度固定的页面。因此，请求分页便称为目前最常用的一种实现虚拟存储器的方式。
1.1 请求分页中的硬件支持
为了实现请求分页，系统必须提供一定的硬件支持。计算机系统除了要求一定容量的内存和外存外，还需要有请求页表机制、缺页中断机制以及地址变换机构。
1.1.1 请求页表机制
在请求分页系统中需要的主要数据结构是请求页表，其基本作仍然是将用户地址空间中的逻辑地址映射为内存空间中的物理地址。
为了满足页面换进换出的需要，在请求页表中又增加了四个字段。
状态位（存在位）P：用于指示该页是否已调入内存
访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数
修改位M：标识该页在调入内存后是否被修改过
外存地址：用于指出该页在外存上的地址
1.1.2 缺页中断机构
在请求分页系统中，每当所要访问的页面不在内存时，便产生一缺页中断，请求OS将所缺之页调入内存。
缺页中断是一种特殊的中断，它与一般的中断相比有着明显的区别，主要表现在两个方面：
- 在指令执行期间产生和处理中断信号
- 一条指令在执行期间可能产生多次缺页中断
1.1.3 地址变换机构
如图展示请求分页系统中的地址变换过程
2. 页面置换算法
2.1 介绍
在进程运行过程中，若其所要访问的页面不在内存，而需把它们调入内存，但内存已无空闲空间时，为了保证该进程能正常运行，系统必须从内存中调出一页程序或数据送到磁盘的对换区中。但应将哪个页面调出，须根据一定的算法来确定。通常，把选择换出页面的算法称为页面置换算法（Page-Replacement Algorithm）。
不适当的算法可能会导致进程发生“抖动”（Thrashing），即刚被换出的页很快又要被访问，需要将它重新调入，此时又需要再选一页调出，而此刚被换出的页很快又要被访问，又需将它调入，因此我们称该进程发生了“抖动”。
2.2 最佳（Optimal）置换算法
介绍：
最佳置换算法是一种较为极端，理想化的算法，它具有最好的性能，但实际上是无法实现的。通常以其为标准，来衡量其它算法的优劣。
原理：
其所选择的被淘汰页面将是以后永不使用的，或许是在最长（未来）时间内不再被访问的页面。
特点：
可保证获得最低的缺页率
因人们无法预知一个进程在内存的若干个页面中，究竟哪个是未来最长时间内不再被访问的，故该算法无法实现
2.3 先进先出页面置换算法（FIFO）
原理：
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。该算法实现简单，只需把一个进程已调入的页面按先后次序链接成一个队列，并设置一个指针，称为替换指针，使它总指向最老的页面。
特点：
通常与进程实际运行的规律不相适应，因为有些页面会经常被访问，如全局变量、常用函数等，故可能是性能最差的算法，实际应用极少。
2.4 最近最久未使用置换算法（LRU，Least Recently Used）
原理：
该算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间t。当需淘汰一个页面时，选择现有页面中其t值最大的，即最近最久未使用的页面予以淘汰。
特点：
该算法是根据页面调入内存后的使用情况做出决策的
要求系统有较多的支持硬件，为了了解一个进程在内存中的各个页面各有多少时间未被进程访问，以及如何快速地知道哪一页是最近最久未使用的页面，须有寄存器和栈两类硬件之一的支持。
2.5 最少使用置换算法（LFU， Least Frequently Used）
原理：
该算法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。每次访问某页时，便将该移位寄存器的最高位置1，再每隔一定时间（例如100ms）右移一次。LFU置换算法的页面访问图与上面的LRU置换算法的访问图完全相同。
或者说，利用一套硬件既可实现LRU算法，又可实现LFU算法。
特点：
这种算法并不能真正反映出页面的使用情况，因为在每一时间间隔内，只是用寄存器的一位来记录页的使用情况。因此，在该时间间隔内，对某页访问一次和访问100次效果等效。
2.6 简单的Clock置换算法
介绍：
LRU算法需要较多硬件支持，成本较高，实际应用中，大多采用LRU的近似算法。Clock算法就是用得较多的一种LRU近似算法。
原理：
当利用简单的Clock置换算法时，只需为每页设置一位访问位，再将内存中的所有页面都通过链接指针链接成一个循环队列。
当某页被访问时，其访问位被置1。置换算法在选择一页淘汰时，只需检查页的访问位。如果是0，选择该页换出；若为1，则重新将它置0，暂不换出，给予该页第二次驻留内存的机会，
再按照FIFO算法检查下一个页面。当检查到队列中的最后一个页面，若其访问为仍为1，则再返回到队首去检查第一个页面。
特点：
该算法是循环地检查各页面的使用情况，故称为Clock算法
因该算法只有一位访问位，只能用其表示该页是否已经使用过，而置换是将未使用过的页面换出去，故该算法又称为最近未用算法或者NRU（Not Recently Used）算法。
2.7 页面缓冲算法（PBA，Page Buffering Algorithm）
内存分配策略上采用了可变分配和局部置换方式，系统为每个进程分配一定数目的物理块，系统自己保留一部分空闲物理块。
为了能显著地降低页面换进、换出地频率，在内存中设置了如下两个链表：
空闲页面链表
实际上该链表是一个空闲物理块链表，是系统掌握地空闲物理块，用于分配给频繁发生缺页的进程，已降低该进程的缺页率。
当进程需要读入一个页面时，便可利用空闲物理链表中的第一个物理块来装入该页；
当有一个未被修改的页要换出时，实际上并不将它换出到外存，而是把它们所在的物理块挂在空闲链表的末尾。
修改页面链表
该链表是由已修改的页面所形成的链表。设置该链表的目的是为了减少已修改页面换出的次数。
当进程需要将一个已修改的页面换出时，系统并不立即把它换出到外存上，而是将它所在的物理块挂在修改页面链表的末尾。
PBA算法特点：
- 显著地降低了页面换进、换出的频率，使磁盘I/O的操作次数大为减少，减少了页面换进、换出的开销。
- 正是由于换入换出的开销大幅度减小，才能使其采用一种较简单的置换策略，如先进先出（FIFO）算法，它并不需要特殊硬件的支持，实现起来非常简单。
参考：《计算机操作系统》（第四版，汤小凤）
看教材枯燥，码字记录提神，根据计算机操作系统（第四版，汤小凤）个人整理，仅作学习记录 :)
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