页面置换算法

‍

​​

‍

页面的换入、换出需要磁盘 I/O ，会有较大的开销，因此好的页面置换算法应该追求更少的缺页率。

一、OPT 最佳置换算法 Optimal

每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证最低的缺页率。

​​

理解：该算法虽然性能最好，需要“预见未来”的能力，即需要知道接下来访问的页面引用队列，无法实现（操作系统在运行时只能知道当前需要访问的页面）。

‍

二、FIFO 先进先出置换算法 First In First Out

每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面。

​​

Belady 异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。

该算法实现简单，但由于与进程实际运行时的规律不适应而性能差。

‍

三、LRU 最近最久未使用置换算法 Least Recently Used

每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面。

实现方法：赋予每个页面对应的页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间 t 。当需要淘汰一个页面时，选择现有页面中 t 值最大的，即最近最久未使用的页面。

​​

该算法性能好，但由于实现困难且需要专门的硬件支持（计时等），开销大。

‍

四、CLOCK 时钟置换算法（NRU 最近未用算法 Not Recently Used）

（简单的 CLOCK 算法）

前排提醒：此算法的关于指针的移动时机在网上有诸多歧义和说法，极其混乱，这里仅列举一种看完许多情况后认为的合理情况。

参考：

https://blog.csdn.net/D97756228/article/details/131250473

​​

重点：

1. 命中时仅将对应页面号的访问位置1，指针不动
2. 未命中且需要置换页面时，才移动指针

‍

五、改进型的时钟置换算法

简单的时钟置换算法（上面的四、）仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上，如果被淘汰的页面没有被修改过，就不需要执行 I/O 操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存。因此，除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外，操作系统还应考虑页面有没有被修改过。

在其他条件都相同时，应优先淘汰没有修改过的页面，避免操作。这就是改进型的时钟置换算法的思想。

修改位 = 0 ，表示页面没有被修改过；修改位= 1 ，表示页面被修改过。

为方便讨论，用（访问位，修改位）的形式表示各页面状态。如（1 ，1）表示一个页面近期被访问过，且被修改过。

‍

算法规则：

将所有可能被置换的页面排成一个循环队列

1. 第一轮：从当前位置开始扫描到第一个（0 ，0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位

   （第一优先级：最近没访问，且没修改的页面）

2. 第二轮：若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0，1）的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为 0

   （第二优先级：最近没访问，但修改过的页面）

3. 第三轮：若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0 ，0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位

   （第三优先级：最近访问过，但没修改的页面）

4. 第四轮：若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0 ，1）的帧用于替换

   （第四优先级：最近访问过，且修改过的页面）

由于第二轮己将所有帧的访问位设为 0 ，因此经过第三轮、第四轮扫描一定会有一个帧被选中，因此改进型 CLOCK 置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描