操作系统(4)—— 局部/ 全局页面置换算法

局部页替换算法

一、最优页面置换算法

功能目标

• 功能：当缺页中断发生，需要调入新的页面。内存已满时，选择内存当中哪个物理页面被置换。

• 目标：尽可能的减少页面的换进换出次数，即缺页中断的次数。具体来说，把未来不再使用或者短期内较少使用的页面换出，通常只能在局部性原理指导下依据过去的统计数据来进行预测。

• 页面锁定(frame locking)：用于描述必须常驻内存的操作系统的关键部分或时间关键的应用进程。实现的方法是在页表中添加锁定标志位(lock bit)。

• 基本思路 ：当一个缺页中断发生时，对于保存在内存当中的每一个逻辑页面，计算在它的下一次访问之前，还需等待多长时间，从中选择等待时间最长的那个，作为被置换的页面。（很长时间不访问）

• 这只是一种理想情况，在实际系统中无法实现。因为操作系统不可能知道每一个页面要等待多长时间以后才会再次被访问。

• 可用作其他算法的性能评价的依据（在一个模拟器上运行某个程序，并记录每一次的页面访问情况，在第二遍运行时即可使用最优算法）。

二、先进先出算法（FIFO）

• 基本思路：选择在内存中驻留时间最长的页面并淘汰之。

  具体来说，系统维护着一个链表，记录了所有位于内存当中的逻辑页面。从链表的排列顺序来看，链首页面的驻留时间最长，链尾页面的驻留时间最短。当发生一个缺页中断时，把链表首页面淘汰出局，并把新的页面添加到链表的末尾。

• 性能较差，调出的页面有可能是经常要访问的页面，并且有Belady现象。FIFO算法很少单独使用。

• 实现：一个单一的指针就够了。

三、最近最久未使用算法（Least Recently Used，LRU）

• 基本思路：当一个缺页中断发生时，选择最久未使用的那个页面，并淘汰之。

• 它是对最优页面置换算法的一个近似，其依据是程序的局部性原理，即在最近一小段时间内，如果某些页面被频繁的访问，那么在将来的近一小段时间，它们还可能被频繁访问。反过来说，如果在过去某些页面长时间未被访问，那么在将来它们还可能会长时间的得不到访问。

• LRU算法需要记录各个页面使用时间的先后顺序，开销比较大。两种可能实现的方法：

  • 系统维护一个页面链表，最近刚刚使用过的页面作为首结点，最久未使用的页面作为尾结点。每一次访问内存时，找到相应的页面，把它从链表中摘下来，再移动到链表之首。每次缺页中断发生时，淘汰链表末尾的页面。
  • 设置一个活动页面栈，当访问某时，将此页号压入栈顶，然后考察栈内是否有与此页面相同的页号，若有则抽出。当需要淘汰一个页面时，总是选择栈底的页面，它就是最久未使用的。

四、时钟页面置换算法

• Clock页面置换算法，LRU的近似。对FIFO的一种改进。
• 基本思路：
  • 需要用到页表项当中的访问位，当一个页面被装入内存时，把该位初始化为0。然后如果这个页面被访问（读/写），则把该位置为1。
  • 把各个页面组织成环形链表（类似时钟表面），把指针指向最老的页面（最先进来）。
  • 当发生一个缺页中断时，考察指针所指向的最老页面。若它的访问位为0，立即淘汰；若访问位为1，则把该位置为0，然后指针向下移动一格。如此下去，直到找到被淘汰的页面，然后把指针向下移动一格。
• 实现：维持一个环形页面链表保存在内存中。

五、二次机会法（Enhanced Clock）

• 用一个巨大的代价来替换脏页。（区别了读和写操作，写11、读10，将00置换出去）
• 修改Clock算法，使它允许脏页总是在一次时钟头扫描中保留下来，同时使用脏位和使用位来指导置换。

六、最不常用算法（Least Frequently Used，LFU）

• 基本思路：当一个缺页中断发生时，选择访问次数最少的那个页面，并淘汰之。

• 实现方法：对每个页面设置一个访问计数器。每当一个页面被访问时，该页面的访问计数器加一。在发生缺页中断时，淘汰计数值最小的那个页面。

• LRU考察的是多久未访问，时间越短越好；

  LFU考察的是访问的次数或频度，访问次数越多越好。

• 问题：一个页面在进程开始时使用的最多，但以后就不使用了，实现费时费力。

  解决：定期把次数寄存器右移一位。

七、Belady现象、LRU/FIFO/Clock比较

• Belady现象：在采用FIFO算法时，有时会出现分配的物理页面数增加，缺页率反而提高的异常现象。

  Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征是矛盾的。与置换算法的目标是不一致的（即替换较少使用的页面），因此被它置换出去的页面并不一定是进程不会访问的。

• LRU算法和FIFO本质上都是先进先出的思路。

  只不过LRU是针对页面的最近访问时间来进行排序，所以需要在每一次页面访问的时候动态的调整各个页面之间的先后顺序（有一个页面的最近访问时间变了）；

  而FIFO是针对页面进入内存的时间来进行排序。这个时间是固定不变的，所以各页面之间的先后顺序是固定的。如果一个页面在进入内存之后没有被访问，那么它的最近访问时间就是它进入内存的时间。

  换句话说，如果内存当中的所有页面都未曾访问过，那么LRU就退化为FIFO算法。

全局置换算法

局部页替换算法的问题——不能动态分配——引入全局置换算法

工作集模型

• 工作集：一个进程当前正在使用的逻辑页面集合。

  可以用一个二元函数W(t，A)来表示。其中 t 是当前的执行时刻；A称为工作窗口，即一个定长的页面访问的时间窗口。

  W(t，A) = 在当前时刻t之前的A时间窗口当中的所有页面所组成的集合（随着t的变化，该集合也在不断变化）

  |W(t，A)|指工作集的大小，即页面数目。

• 常驻集：在当前时刻，进程实际驻留在内存当中的页面集合。

  • 工作集是进程在运行过程中固有的性质，而常驻集取决于系统分配给进程的物理页面数目，以及所采用的页面置换算法。
  • 如果一个进程的整个工作集都在内存当中，那么进程将很顺序的运行，而不会造成太多的缺页中断（直到工作集发生剧烈变动，从而过渡到另一个状态）。
  • 当进程常驻集的大小达到某个数目之后，再给它分配更多的物理页面，缺页率也不会明显下降。

工作集页置换算法

缺页率页面置换算法

• 可变分配策略：常驻集大小可变。例如每个进程在刚开始运行的时候，先根据程序大小给它分配一定数目的物理页面，然后在进程运行过程中，再动态的调整常驻集的大小。

• 可采用全局页面置换的方式，当发生一个缺页中断时，被置换的页面可以是再其它进程当中，各个并发进程竞争的使用物理页面。

• 特点：性能较好，但是增加了系统开销。

• 具体实现：可以使用缺页率（PFF，page fault frequency）算法来动态的调整常驻集的大小。

  • 缺页率表示 缺页次数/内存访问次数（比率）或者 缺页的平均时间间隔的倒数。

    当缺页率高时，增加工作集；当缺页率低时，减少工作集。

  • 影响缺页率的因素：

    • 页面置换算法
    • 分配给进程的物理页面数目
    • 页面本身的大小
    • 程序的编写方法

  抖动问题（thrashing）

• 如果分配给一个进程的物理页面太少，不能包含整个的工作集，即常驻集属于工作集，那么进程将会造成很多的页面中断，需要频繁的在内存和外存之间替换页面，从而使进程的运行速度变得很慢，这种状态称为抖动。

• 产生抖动的原因：随着驻留内存的进程数目增加，分配给每个进程的物理页面数不断减小，缺页率不断上升。所以操作系统要选择一个适当的进程数目和进程所需要的帧数，以便在并发水平和缺页率之间达到一个平衡。