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在进程运行过程中#xff0c;若需要访问的物理块不在内存中#xff0c;就需要通过一定的方式来将页面载入内存#xff0c;而此时内存很可能已无空闲空间#xff0c;因此就需要一定的算法来选择内存中要被置换的页面#xff0c;这种算法就被称为页面置换算法…页面置换算法
在进程运行过程中若需要访问的物理块不在内存中就需要通过一定的方式来将页面载入内存而此时内存很可能已无空闲空间因此就需要一定的算法来选择内存中要被置换的页面这种算法就被称为页面置换算法。页面置换算法的好坏将直接影响系统的性能。
页面的换入、换出需要磁盘I/O会有较大的开销因此好的页面置换算法应该追求更少的缺页率。
下面介绍几种常用的页面置换算法。
最佳置换算法OPT先入先出置换算法FIFO最近最久未使用置换算法LRU时钟置换算法CLOCK改进型的时钟置换算法
1.最佳置换算法OPT
该算法是一种理想化的算法具有非常好的性能但是由于目前无法预知未来因此难以实现。
该算法选择淘汰的页面是未来永远不会再使用的页面 or 未来最长时间不再被访问的页面。该算法保证了可以获得最低缺页率但无法预知未来页面的使用情况因此目前无法实现但通常用来评价其他算法。
例假定系统为某进程分配了三个物理块,并考虑有以下的页面号引用串: 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1 进程运行时,先将 7,0,1 三个页面装入内存。以后,当进程要访问页面 2 时,将会产生缺页中断。此时 OS 根据最佳置换算法,将选择页面 7 予以淘汰。这是因为页面 0 将作为第 5 个被访问的页面,页面 1 是第 14 个被访问的页面,而页面 7 则要在第 18 次页面访问时才需调入。下次访问页面 0 时,因它已在内存而不必产生缺页中断。当进程访问页面 3时,又将引起页面 1 被淘汰;因为,它在现有的 1,2,0 三个页面中,将是以后最晚才被访问的。下图给出了采用最佳置换算法时的置换图。由图可看出,采用最佳置换算法发生了 6 次页面置换。 2.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。
例:假设系统为某进程分配了三个内存块并考虑到有以下页面号引用串321032432104 当进程第一次访问页面0 时,将把第 3 页换出,因为它是最先被调入内存的;在第一次访问页面 3 时,又将把第 2 页换出, 因为它在现有的 2, 1, 0 三个页面中是最老的页。 由下图可以看出,利用 FIFO 算法时进行了 6 次页面置换9次缺页中断。 3.最近最久未使用算法(LRU)
最近最久未使用置换算法(LRU):每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面实现方法赋予每个页面对应的页表项中用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t。当需要淘汰一个页面时选择现有页面中t值最大的即最近最久未使用的页面。该算法的实现需要专门的 例:假设系统为某进程分配了四个内存块并考虑到有以下页面号引用串:18178272183821317137 在手动做题时若需要淘汰页面可以逆向检查此时在内存中的几个页面号。在逆向扫 4.时钟置换算法CLOCK
时钟置换算法是一种性能和开销较均衡的算法又称CLOCK算法或最近未用算法NRU) 简单的CLOCK算法实现方法为每个页面设置一个访问位(访问位为1表示最近访问过;访问位为0表示最近没访问过)再将内存中的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置为1。当需要淘汰一个页面时只需检查页的访问位。如果是0就选择该页换出;如果是1则将它置为0暂不换出继续检查下一个页面若第一轮扫描中所有页面都是1则将这些页面的访问位依次置为0后再进行第二轮扫描第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面因此简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描)。 5.改进型的时钟置换算法
简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上如果被淘汰的页面没有被修改过就不需要执行I/O操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时才需要写回外存。
因此除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外操作系统还应考虑页面有没有被修改过。在其他条件都相同时应优先淘汰没有修改过的页面避免I/O操作。这就是改进型的时钟置换算法的思想。修改位0表示页面没有被修改过;修改位1表示页面被修改过。 为方便讨论用访问位修改位的形式表示各页面状态。如11表示一个页面近期被访问过且被修改过。
算法规则 将所有可能被置换的页面排成一个循环队列 第一轮:从当前位置开始扫描到第一个(0,0的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位 第二轮:若第一轮扫描失败则重新扫描查找第一个0,1的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0 第三轮:若第二轮扫描失败则重新扫描查找第一个(0,0的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位 第四轮:若第三轮扫描失败则重新扫描查找第一个0,1的帧用于替换。 由于第二轮已将所有帧的访问位设为0因此经过第三轮、第四轮扫描一定会有一个帧被选中因此改进型CLOCK置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描。
