操作系统——页面置换算法详解

    页面置换算法的功能：当出现缺页异常，需调入新页面而内存已满时，置换算法选择被置换的物理页面。

    页面置换算法的设计目标：尽可能减少页面的调入调出次数，把未来不再访问或短期内不访问的页面调出。

    接下来，我们介绍几种常用的页面置换算法：

   先进先出算法（First-In First-Out, FIFO）

    思路：选择在内存驻留时间最长的页面进行置换

    实现：维护一个记录所有位于内存中的逻辑页面链表，链表元素按驻留内存的时间排序，链首最长，链尾最短，出现缺页时，选择链首页面进行置换，新页面加到链尾

    特点：实现简单；性能较差，调出的页面可能是经常访问的

    详细的置换过程可以通过下图进行理解，图中共产生了5次缺页

   

    最近最久未使用算法 (Least Recently Used, LRU)

    思路：选择最长时间没有被引用的页面进行置换，因为如果某些页面长时间未被访问，则它们在将来还可能会长时间不会访问

    实现：缺页时，计算内存中每个逻辑页面的上一次访问时间，选择上一次使用到当前时间最长的页面

    特点：可能达到最优的效果，维护这样的访问链表开销比较大

    详细的置换过程见下图，图中只产生了3次缺页

   

    最不常用算法（Least Frequently Used, LFU）

    思路：缺页时，置换访问次数最少的页面

    实现：每个页面设置一个访问计数，访问页面时，访问计数加1，缺页时，置换计数最小的页面

    特点：算法开销大，开始时频繁使用，但以后不使用的页面很难置换

    详细的置换过程见下图：执行在4个页帧中，假定最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

   

    时钟置换算法（Clock）

    思路：仅对页面的访问情况进行大致统计

    实现：在页表项中增加访问位，描述页面在过去一段时间的内访问情况，将各页面组织成环形链表，指针指向最先调入的页面，访问页面时，在页表项记录页面访问情况，缺页时，从指针处开始顺序查找未被访问的页面进行置换

    特点：时钟算法是LRU和FIFO的折中

    时钟置换算法过程如下图：