基本概念 -- 功能与设计目标

• 作用/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

• 设计目标

  • 尽可能减少页面缺页次数、换入/换出次数
  • 把未来不再访问或短期内不访问的页面调出

基本概念 -- 功能与设计目标

• 何时进行置换？
  • 空闲内存数量上限和下限
  • 到达下限，开始回收内存
  • 到达上限，暂停回收内存

基本概念 -- 功能与设计目标

• 页面锁定(frame locking)/常驻内存
  • 描述必须常驻内存的逻辑页面
  • 操作系统的关键部分
  • 要求响应速度的代码和数据
  • 页表中的锁定标志位(lock bit)

基本概念 -- 评价方法

• 评价方法
  • 模拟页面置换行为，记录缺页次数；更少的缺页, 更好的性能
  • 记录程序运行中访问内存的页面轨迹
• 举例: 虚拟地址访问用(页号, 位移)表示

• 对应的页面轨迹

基本概念 -- 分类

• 局部页面置换算法

  • 置换页面的选择范围仅限于当前进程占用的物理页面内
  • 最优算法、先进先出算法、最近最久未使用算法
  • 时钟算法、最不常用算法

• 全局页面置换算法

  • 置换页面的选择范围是所有可换出的物理页面
  • 工作集算法、缺页率算法

第二节 页面置换算法

• 基本概念
• 局部页面置换算法
• 全局页面置换算法

第二节 页面置换算法 -- 局部页面置换算法

• 最优页面置换算法 (OPT, optimal)
• 先进先出算法 (FIFO)
• 最近最久未使用算法 (LRU, Least Recently Used)
• 时钟页面置换算法 (Clock)
• 最不常用算法 (LFU, Least Frequently Used)
• Belady现象
• LRU、FIFO和Clock的比较

最优页面置换算法 (OPT, optimal)

• 基本思路
  • 置换在未来最长时间不访问的页面
• 算法实现
  • 缺页时，计算内存中每个逻辑页面的下一次访问时间
  • 选择未来最长时间不访问的页面

最优页面置换算法 (OPT, optimal)

• 算法特征
  • 缺页最少，是理想情况
  • 实际系统中无法实现
  • 无法预知每个页面在下次访问前的等待时间
    • 在模拟器上运行某个程序，并记录每一次的页面访问情况
    • 第二遍运行时使用最优算法

最优页面置换算法 (OPT, optimal) -- 示例

最优页面置换算法 (OPT, optimal) -- 示例

最优页面置换算法 (OPT, optimal) -- 示例

最优页面置换算法 (OPT, optimal) -- 示例

先进先出算法 (FIFO)

• 基本思路
  • 选择在内存驻留时间最长的页面进行置换
• 算法实现
  • 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

先进先出算法 (FIFO)

• 算法特征
  • 实现简单
  • 性能较差，调出的页面可能是经常访问的
  • 分配物理页面数增加时，缺页并不一定减少(Belady现象)
  • 很少单独使用

先进先出算法 (FIFO) -- 示例

先进先出算法 (FIFO) -- 示例

先进先出算法 (FIFO) -- 示例

先进先出算法 (FIFO) -- 示例

先进先出算法 (FIFO) -- 示例

先进先出算法 (FIFO) -- 示例

最近最久未使用算法 (Least Recently Used, LRU)

• 基本思路

  • 选择最长时间没有被引用的页面进行置换
  • 如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

• 算法实现

  • 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进行置换

• 算法特征

  • 最优置换算法的一种近似

最近最久未使用算法 (LRU) -- 示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 可能实现方法

• 页面链表
  • 系统维护一个按最近一次访问时间排序的页面链表
    • 链表首节点是最近刚刚使用过的页面
    • 链表尾节点是最久未使用的页面
  • 访问内存时，找到相应页面，并把它移到链表之首
  • 缺页时，置换链表尾节点的页面
• 特征
  • 开销大

最近最久未使用算法 (LRU) -- 可能实现方法

• 活动页面栈
  • 访问页面时，将此页号压入栈顶，并栈内相同的页号抽出
  • 缺页时，置换栈底的页面
• 特征
  • 开销大

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

最近最久未使用算法 (LRU) -- 用栈实现示例

时钟置换算法（Clock）

• 基本思路
  • 仅对页面的访问情况进行大致统计
• 数据结构
  • 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
  • 各页面组织成环形链表
  • 指针指向最先调入的页面

时钟置换算法（Clock）

• 算法实现

  • 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

• 算法特征

  • 时钟算法是LRU和FIFO的折中

时钟置换算法（Clock）

时钟置换算法（Clock）

• 具体实现过程
  • 页面装入内存时，访问位初始化为0
  • 访问页面（读/写)时，访问位置1
  • 缺页时，从指针当前位置顺序检查环形链表
    • 访问位为0，则置换该页
    • 访问位为1，则访问位置0，并指针移动到下一个页面，直到找到可置换的页面

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

时钟置换算法（Clock）-- 示例

改进的时钟置换算法

• 基本思路
  • 减少修改页的缺页处理开销
• 数据结构
  • 在页面中增加修改位，描述页面在过去一段时间的内写访问情况
• 算法实现
  • 访问页面时，在页表项记录页面访问情况
  • 修改页面时，在页表项记录页面修改情况
  • 缺页时，修改页面标志位，以跳过有修改的页面

改进的时钟置换算法

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

改进的时钟置换算法 -- 示例

最不常用算法（Least Frequently Used, LFU）

• 基本思路

  • 缺页时，置换访问次数最少的页面

• 算法实现

  • 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

最不常用算法（Least Frequently Used, LFU）

• 特征

  • 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
    • 解决方法：计数定期右移

• LRU关注多久未访问,时间越短越好

• LFU关注访问次数，次数越多越好

最不常用算法（LFU）

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

最不常用算法（LFU）

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

最不常用算法（LFU）

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

最不常用算法（LFU）

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

最不常用算法（LFU）

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

最不常用算法（LFU）

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

最不常用算法（LFU）

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

Belady现象

• 现象
  • 采用FIFO等算法时，可能出现分配的物理页面数增加，缺页次数反而升高的异常现象
• 原因
  • FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征矛盾
  • 被它置换出去的页面并不一定是进程近期不会访问的
• 思考
  • 哪些置换算法没有Belady现象？

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

Belady现象 -- FIFO算法

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

Belady现象 -- FIFO算法有Belady现象

Belady现象 -- LRU算法无Belady现象

时钟/改进的时钟页面置换是否有Belady现象？
为什么LRU页面置换算法没有Belady现象？

小结

• LRU、FIFO和Clock的比较
  • LRU算法和FIFO本质上都是先进先出的思路
  • LRU依据页面的最近访问时间排序
  • LRU需要动态地调整顺序
  • FIFO依据页面进入内存的时间排序
  • FIFO的页面进入时间是固定不变的

小结

• LRU、FIFO和Clock的比较
  • LRU可退化成FIFO
    • 如页面进入内存后没有被访问，最近访问时间与进入内存的时间相同
    • 例如：给进程分配3个物理页面，逻辑页面的访问顺序为1、2、3、4、5、6、1、2、3…

小结

• LRU、FIFO和Clock的比较
  • LRU算法性能较好，但系统开销较大
  • FIFO算法系统开销较小，会发生Belady现象
  • Clock算法是它们的折衷
    • 页面访问时，不动态调整页面在链表中的顺序，仅做标记
    • 缺页时，再把它移动到链表末尾
    • 对于未被访问的页面，Clock和LRU算法的表现一样好
    • 对于被访问过的页面，Clock算法不能记录准确访问顺序，而LRU算法可以