5 页面置换算法

目录

• 功能目标
• 局部页面置换算法
  • 最优置换算法（OPT，optimal）
  • 先进先出算法（FIFO）
  • 最近最久未使用算法（Least Recently Used, LRU)
  • 时钟算法（Clock）
  • 二次机会法(Enhanced Clock Algorithm)
  • 最不常用算法（Least Frequently Used，LFU）
  • Belady现象
  • FIFO、LRU、Clock算法比较
• 全局页面置换算法
  • 局部页面置换算法的问题
  • 工作集模型（Working Set）
  • 两个全局置换算法
  • 抖动现象

功能目标

1. 功能：当缺页中断发生，需要调入新的页面而内存已满时，选择内存当中哪个物理页面被置换
2. 目标： 尽可能减少页面换入换出次数（即缺页中断次数）。具体来说，把未来不再使用或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往统计数据预测
3. 页面锁定（Frame Locking）：对于必须常驻内存的操作系统关键部分或时间关键（time critical)的应用进程（定时执行的程序？），使其不参与页面置换。实现方法：通过在页表中增加锁定标志位（lock bit)
4. 算法评估方法：模拟一个页面置换的行为，记录出现缺页中断的次数（不需要考虑页偏移，只需考虑页号）

局部页面置换算法

仅针对一个进程、一个应用程序

前提：程序局部性

最优置换算法（OPT，optimal）

1. 基本思路：当发生缺页中断时，对保持在内存中的每一个逻辑页面，计算它在下一次访问前，还需要等待的时间，从中选择等待时间最长的，作为被置换的页面
2. 缺点：这只是一种理想状况，实际情况下，操作系统无法预知页面在再次被访问前，所需要等待的时间
3. 可用作其他算法性能的评价依据（在一个模拟器上运行某个程序，第一遍访问时记录每个页面的访问情况，第二遍运行时即可使用最优置换算法）
4. 示例：（缺页2次）
   

先进先出算法（FIFO）

1. 基本思路：发生缺页中断时，将内存中停留时间最长（最早进入内存）的页面置换出去。操作系统维护着一个链表，记录内存中的逻辑页面，链首驻留时间最长，链尾驻留时间最短。缺页中断时，将链首的页面置换出去。
2. 优点：实现简单
3. 缺点：性能较差，被换出的页面可能是需要经常访问的页面，并且有Belady现象，因此FIFO较少单独使用
4. 示例：（缺页5次）
   

最近最久未使用算法（Least Recently Used, LRU)

1. 基本思路：发生缺页中断时，置换最久未被使用的页面
2. 依据：对最优适用算法的近似。依据程序局部性原理，最近被访问的指令和数据很有可能再次被访问，反之，如果某个页面长时间未被访问，则很大概率将来长时间内不会再被访问。
3. 优点：效果比较好，发生缺页中断的次数比较少
4. 缺点：需要记录和查找每个页面最近使用的情况，时间开销比较大。
5. 示例：（缺页3次）
   
6. 查找置换页面的算法：
   • OS维护一个链表，每访问一个页面，查找链表中是否已存在该页面。若不存在，将其添加到链首；若存在，将链表中的页面移到链首。则链尾即为最近最久未被使用的页面
   • 使用一个栈来记录，每访问一个页面，将其压入栈顶。然后查找原栈内是否存在该页面，若有，将其抽出。则栈底即为最近最久未使用的页面。

时钟算法（Clock）

LRU算法的近似，FIFO算法的改进

1. 基本原理：
   • 通过页表中的访问位（access/used bit）粗略记录最近页面的访问情况，置换掉最近未被访问的页面。
   • 当页面载入内存时，访问位置为0；页面被访问（读/写）时，访问位置为1（硬件实现）。将各个页面组织成环形链表（类似钟表面，指针指向最老的页面（最先进来）
   • 当发生缺页中断时，考察指针指向的最老的页面。若其访问位为0，立即置换，新页访问位置为1。若其访问位为1，将其访问位置为0（指针访问后，让这个页面老一些），指针移向下一个页面。依此类推。
2. 示例：（缺页4次）
   
3. 性能：实际性能接近LRU算法（略逊）

二次机会法(Enhanced Clock Algorithm)

1. 基本原理：如果内存中的页帧进行过写操作，则页面置换时需将该页写回外存，时间开销较大。因此可同时利用页表中的访问位（used bit）和修改位（dirty bit）指导置换，改进Clock算法，使修改位为1的页面在指针扫描时多一次保留的机会。
   
2. 性能：效果较好，性能接近 LRU 算法
3. 示例：（缺页3次）
   

最不常用算法（Least Frequently Used，LFU）

1. 基本原理：发生缺页中断时，将访问次数最少的页面置换出去
2. 缺陷：
   • 需要对每个页面设置计数器，每次页面置换需要查找次数最少的页面。类似LRU，时间、空间开销较大
   • 未考虑时间因素。可能存在某些页面在程序启动时使用次数较多，但最近已经很少使用，然而由于总访问次数较多，不大会被置换出去。 -- > 解决方法：可使次数寄存器每隔一段时间右移一位（即除以2）

Belady现象

1. 含义：采用FIFO算法时，有时会出现分配的物理内存越大，发生缺页中断的次数反而增加的现象

2. 原因：FIFO算法未考虑进程访问内存页面的动态特征，与置换算法的目标不一致（替换较少使用的页面），因此被替换出去的页面未必是进程不会访问的

3. LRU算法不会出现Belady现象的原因：LRU符合栈算法的特点，FIFO不符合这种特点

4. 示例：
   

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FIFO、LRU、Clock算法比较

1. FIFO和LRU都是依据先进先出的思路，只是LRU会根据页面最近访问时间对页面顺序进行动态调整，而FIFO则依据页面进入内存的时间排序，时间固定。
2. Clock算法是对LRU算法的近似，利用硬件提供的访问位和修改位模拟LRU中的最近访问时间，减小系统开销。
3. 当程序本身不存在局部性时，LRU、Clock可能会退化为FIFO算法

全局页面置换算法

局部页面置换算法的问题

1. 局部页面置换算法只考虑一个进程、一个应用程序的内存使用情况
2. 程序在不同时间段对物理页帧的需求是动态变化的，但局部页面置换算法分配给每个应用程序的物理内存大小是固定的，限制了置换算法的灵活性

工作集模型（Working Set）

1. 用于衡量程序的局部性

2. 工作集：一个程序当前正在使用的逻辑页面集合，用W(t, Δ) 表示

   • t -- 表示当前执行的时刻
   • Δ -- 工作集窗口，即一个定长的页面访问时间窗口
   • W(t, Δ) -- 在t时刻之前的Δ窗口内的所有页面集合（随t动态变化）
   • | W(t, Δ) | -- 工作集长度，即页面数目

   

3. 常驻集：当前时刻，进程实际驻留在内存中的页面集合

   • 工作集是进程在运行过程中的固有属性，而常驻集取决于OS分配的物理页帧大小及采用的页面置换算法
   • 如果一个进程的工作集全部在常驻集中，即工作集⊆常驻集，则进程将顺利进行，不会产出太多缺页中断（直到工作集发生剧烈变动，从而过渡到另一种状态）
   • 进程的常驻集增大到一定程度后，再增加常驻集的大小，缺页率也不会明显下降

两个全局置换算法

1. 工作集页面置换算法

   • 设置一个工作集窗口，对于不在工作集窗口的物理页帧，自动置换出去，即使分配的物理内存没装满（若页面被写过，则写回外存；否则直接标记为空闲空间）
   • 不足之处：工作集大小固定不变
   • 例子：
     

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2. 缺页率页面置换算法

   • 常驻集大小可变。程序刚开始运行时，根据程序大小分配一定的物理内存空间。在程序运行过程中，再动态调整常驻集的大小

   • 可采用全局页面置换的方式。当发生缺页中断时，被置换的页面可以是在其他进程空间中，各个并发进程共同竞争物理页面

   • 具体实现：使用缺页率算法（PFF，Page Fault Frequency）来动态调整常驻集大小

     • 若缺页率偏大，则增大工作集（常驻集）窗口大小
     • 若缺页率偏小，则减小工作集窗口大小
     

   • 缺页率 = 缺页中断次数 / 内存访问次数，影响因素：

     • 页面置换算法
     • 分配给进程的物理页面大小
     • 页面本身大小
     • 程序局部性

抖动现象

1. 含义：当分配给一个进程的物理页面过小，无法容纳一个工作集，即常驻集⊂工作集时，进程会出现很多缺页中断，需要频繁地在内外存间换入换出，从而使进程速度变慢

2. 原因：随着同时运行的进程数量的增加，分配给每个进程的物理页面随之减少，缺页率不断上升

3. 解决方法：OS需要选择合适的进程数和进程需要的物理帧数，以便在并发水平和缺页率之间获得平衡

   • 调整MPL（并发水平）
   • 目标：
     • 平均页缺失时间mean time between page faults (MTBF) = 页缺失时间 page fault service time (PFST)
     • 各个进程工作集之和 = 内存大小