操作系统（5）虚拟存储--页面置换算法：局部置换算法、全局置换算法

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1：页面置换算法的相关概念

1. 功能和目标
   置换算法并不是针对一个进程，而是一系列进程
   
2. 页面锁定
   有些页面是不能把它放到外存里的
   
3. 置换算法的评价方法
   通过记录进程访问内存的页面轨迹来模拟页面置换行为，记录产生缺页的次数
   
4. 页面置换算法分类
   局部：在内存中，给每个进程分配的页面总数是不会变化的。
   全局：置换页面的选择范围是所有可换出的物理界面
   

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2：局部置换算法

1.最优、先进先出、最近最久未使用算法

1. 最优算法（OPT optimal）：不可实现
   基本思路：置换在未来最长时间不访问的页面
   
   
   算法示例：

   在1-4时刻，访问都是可以正常访问的，在时刻5，需要访问e页面，这时候根据最优算法调出d页面，产生一次缺页，然后6-9时刻也是可以正常访问的，在时刻10时，也产生一次缺页。

   

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2. 先进先出算法（FIFO）：最简单
   思路：选择在内存驻留时间最长的页面进行置换
   
   算法示例：

   在时刻5，最先进来的页面是a，所以将e替换a，同时，逻辑链表变成了bcde

   

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3. 最近最久未使用算法（LRU Least Recently Used）：开销大
   思路：选择最长时间没有被引用的页面进行置换
   
   算法示例：

   在时刻5时，最久未被引用的是c，替换c。

   
   可能实现方法：
   
   示例：

   在时刻5，置换栈底的页面c，同时将压入栈顶。在时刻6，将栈中的b移到栈顶（开销）

   

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2.时钟置换算法和最不常用算法

这两个算法实际上是对FIFO和LRU的一些简化

1. 时钟置换算法（Clock）（LRU和FIFO的折中）
   • 思路：仅对页面的访问情况进行大致统计
   • 数据结构：
     
   • 算法：
     
   • 示例：
     • 先将各页面组成一个环形链表
       
     • 当访问页号1时，将页号1的访问位置1，如果再次访问页号1，则访问为仍是1.
       
     • 当缺页的时候，就从指针出开始顺时针寻找访问位为0的（在这过程中，将访问位为1的清零），在下图就是找到了页号4，将页号4置换出去
       
   • 改进的时钟算法
     
     

     在上图中，第二行时，修改位为1表示该页被修改过，这时候就修改位置0，同时将修改存入外存。第三行和第4行的处理方式和时钟算法一致。

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2. 最不常用算法（LFU，Least Frequently Used）
   • 思路：缺页时，置换访问次数最少的页面
   • 实现：
     
   • 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（可以采用计数定期右移解决）。
   • 示例：
     

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3.Belady现象和局部置换算法的比较

1. Belady现象：FIFO有，LRU没有，

   1. 现象解释：局部置换算法给每个进程分配的物理页面数是一定的，当缺页次数过高时，就需要增加分配物理页面数，但此时并不一定会降低缺页次数（主要是置换算法采用的是FIFO算法等）。
   2. 原因：FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征是有矛盾的，被它置换出去的页面并不一定是进程近期不会访问的。

   示例：
   
   

2. LRU、FIFO、Clock的比较
   
   

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3：全局置换算法

1.工作集置换算法

在局部算法里面并没有考虑各个进程之间的访存差异，全局置换算法为进程分配可变数目的物理页面。常驻集是指进程在运行时，当前时刻实际驻留在内存当中的页面集合。而工作集是进行再运行过程所固有的特征。置换算法的工作就是在进程的工作集的前提下，确定常驻集的大小以及相应页面。

1. 工作集置换算法相关概念

   1. 要解决的问题：
      
   2. cpu利用率与并发进程数之间的关系
      
   3. 工作集
      当前时间t到过去一段时间它所访问的逻辑页面的集合。有了工作集，就能知道一个进程在某个时刻所需要的页面数，进而通过操作系统进行合理分配。
      
      
      如果全局置换算法能近似的按照上面这条曲线来，那么效率就提高了很多。
   4. 常驻集
      常驻集是指进程在运行时，当前时刻实际驻留在内存当中的页面集合。而工作集是进行再运行过程所固有的特征。置换算法的工作就是在工作集的前提下，确定常驻集的大小。
      

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2. 工作集置换算法
   换成不在工作集中的页面（不一定是在缺页的时候），在实现方法可以看出复杂的是在访存时，怎么换出不在工作集的页面。
   
   示例：

   1. 在时间0时，假定了t=-1和t=-2时的几个页面，意义在于可以判断在时刻1时，过去的时间里是有几个页面超出了工作集。
   2. 时刻1，访问第一个页面c，发生缺页，按工作集置换算法，直接把页面c补进来
   3. 时刻2，c进行访存时，因为窗口大小为4，所以t=-2时所对应的页面e不在工作集，就将e换出。
   4. 时刻3，正常访问。
   5. 时刻4，访问b页面时，类似时刻1的将b补进来，同时将t=0时刻对应的a页面移出，后面的类似处理

   

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2.缺页率置换算法

1. 缺页率以及影响因素
   
2. 缺页率置换算法（相比工作集算法，降低了开销）
   
3. 算法实现
   
4. 示例

   1. 时刻1，出现缺页，之间补页面
   2. 时刻2，正常访问，时刻3也是正常访问
   3. 时刻4，访问b时出现缺页，把b补进来，此时缺页时间间隔是3，大于窗口大小2，将两个缺页之间没有访问的页面剔除出去，也就是剔除a、e。后面类似，在时刻6时，缺页间隔为2，不进行剔除。
      

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3.抖动和负载控制

1. 抖动问题
   系统中的进程数目很多
   
2. 负载控制
   希望内存的大小恰好是当前所有进程的工作集的总和。同时，当缺页间隔时间大于缺页异常处理时间时，处理器就来得及处理缺页，如果是小于的话，就满负荷运行了，处理不过来了。所以找到一个负载均衡点，使得两者恰好相等。