内存页面置换算法
前面我们说过了进程的调度算法，今天我们继续来盘内存页面的置换算法，给你整的明明白白的🤪🤪🤪。
内存页面置换算法主要有下面这么几种：
- 最佳页面置换算法（OPT）
- 先进先出置换算法（FIFO）
- 最近最久未使用的置换算法（LRU）
- 时钟页面置换算法（Lock）
- 最不常用置换算法（LFU）
最佳页面置换算法（OPT）
最佳页面置换算法基本思路是，置换在「未来」最长时间不访问的页面。
所以，该算法实现需要计算内存中每个逻辑页面的「下一次」访问时间，然后比较，选择未来最长时间不访问的页面。
我们举个例子，假设一开始有 3 个空闲的物理页，然后有请求的页面序列，那它的置换过程如下图：
在这个请求的页面序列中，缺页共发生了 7 次（空闲页换入 3 次 + 最优页面置换 4 次），页面置换共发生了 4 次。
这很理想，但是实际系统中无法实现，因为程序访问页面时是动态的，我们是无法预知每个页面在「下一次」访问前的等待时间。
所以，最佳页面置换算法作用是为了衡量你的算法的效率，你的算法效率越接近该算法的效率，那么说明你的算法是高效的。
先进先出置换算法（FIFO）
既然我们无法预知页面在下一次访问前所需的等待时间，那我们可以选择在内存驻留时间很长的页面进行中置换，这个就是「先进先出置换」算法的思想。
还是以前面的请求的页面序列作为例子，假设使用先进先出置换算法，则过程如下图：
在这个请求的页面序列中，缺页共发生了 10 次，页面置换共发生了 7 次，跟最佳页面置换算法比较起来，性能明显差了很多。
最近最久未使用的置换算法（LRU）
最近最久未使用（LRU）的置换算法的基本思路是，发生缺页时，选择最长时间没有被访问的页面进行置换，也就是说，该算法假设已经很久没有使用的页面很有可能在未来较长的一段时间内仍然不会被使用。
这种算法近似最优置换算法，最优置换算法是通过「未来」的使用情况来推测要淘汰的页面，而 LRU 则是通过「历史」的使用情况来推测要淘汰的页面。
还是以前面的请求的页面序列作为例子，假设使用最近最久未使用的置换算法，则过程如下图：
在这个请求的页面序列中，缺页共发生了 9 次，页面置换共发生了 6 次，跟先进先出置换算法比较起来，性能提高了一些。
虽然 LRU 在理论上是可以实现的，但代价很高。为了完全实现 LRU，需要在内存中维护一个所有页面的链表，最近最多使用的页面在表头，最近最少使用的页面在表尾。
困难的是，在每次访问内存时都必须要更新「整个链表」。在链表中找到一个页面，删除它，然后把它移动到表头是一个非常费时的操作。
所以，LRU 虽然看上去不错，但是由于开销比较大，实际应用中比较少使用。
时钟页面置换算法（Lock）
那有没有一种即能优化置换的次数，也能方便实现的算法呢？
时钟页面置换算法就可以两者兼得，它跟 LRU 近似，又是对 FIFO 的一种改进。
该算法的思路是，把所有的页面都保存在一个类似钟面的「环形链表」中，一个表针指向最老的页面。
当发生缺页中断时，算法首先检查表针指向的页面：
- 如果它的访问位位是 0 就淘汰该页面，并把新的页面插入这个位置，然后把表针前移一个位置；
- 如果访问位是 1 就将该访问位修改为 0，并把表针前移一个位置，重复这个过程直到找到了一个访问位为 0 的页面为止；
我画了一副时钟页面置换算法的工作流程图，你可以在下方看到：
了解了这个算法的工作方式，就明白为什么它被称为时钟（Clock）算法了。
最不常用置换算法（LFU）
最不常用置换算法（LFU）就是当发生缺页中断时，选择「访问次数」最少的那个页面，并将其淘汰。
它的实现方式是，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就累加 1。在发生缺页中断时，淘汰计数器值最小的那个页面。
看起来很简单，每个页面加一个计数器就可以实现了，但是在操作系统中实现的时候，我们需要考虑效率和硬件成本的。
要增加一个计数器来实现，这个硬件成本是比较高的，另外如果要对这个计数器查找哪个页面访问次数最小，查找链表本身，如果链表长度很大，是非常耗时的，效率不高。
但还有个问题，LFU 算法只考虑了频率问题，没考虑时间的问题，比如有些页面在过去时间里访问的频率很高，但是现在已经没有访问了，而当前频繁访问的页面由于没有这些页面访问的次数高，在发生缺页中断时，就会可能会误伤当前刚开始频繁访问，但访问次数还不高的页面。
那这个问题的解决的办法还是有的，可以定期减少访问的次数，比如当发生时间中断时，把过去时间访问的页面的访问次数除以 2，也就说，随着时间的流失，以前的高访问次数的页面会慢慢减少，相当于加大了被置换的概率。
好了，到此为止我们的页面置换算法就讲解完了，接下来就可以吊打面试官了，什么，你还想知道磁盘调度算法，等我🥳🥳🥳。
巨人的肩膀：
