操作系统学习笔记（五） 页面置换算法

操作系统将内存按照页的进行管理，在需要的时候才把进程相应的部分调入内存。当产生缺页中断时，需要选择一个页面写入。如果要换出的页面在内存中被修改过，变成了“脏”页面，那就需要先写会到磁盘。页面置换算法，就是要选出最合适的一个页面，使得置换的效率最高。页面置换算法有很多，简单介绍几个，重点介绍比较重要的LRU及其实现算法。

一、最优页面置换算法

最理想的状态下，我们给页面做个标记，挑选一个最远才会被再次用到的页面。当然，这样的算法不可能实现，因为不确定一个页面在何时会被用到。

二、最近未使用页面置换算法（NRU）

系统为每一个页面设置两个标志位：当页面被访问时设置R位，当页面（修改）被写入时设置M位。当发生缺页中断时，OS检查所有的页面，并根据它们当前的R和M位的值，分为四类：

（1）！R&！M（2）！R&M（3）R&！M（4）R&M

编号越小的类，越被优先换出。即在最近的一个时钟滴答内，淘汰一个没有被访问但是已经被修改的页面，比淘汰一个被频繁使用但是“clean”的页面要好。

三、先进先出页面置换算法（FIFO）及其改进

这种算法的思想和队列是一样的，OS维护一个当前在内存中的所有页面的链表，最新进入的页面在尾部，最久的在头部，每当发生缺页中断，就替换掉表头的页面并且把新调入的页面加入到链表末尾。

这个算法的问题，显然是太过于“公正了”，没有考虑到实际的页面使用频率。

一种合理的改进，称为第二次机会算法。即给每个页面增加一个R位，每次先从链表头开始查找，如果R置位，清除R位并且把该页面节点放到链表结尾；如果R是0，那么就是又老又没用到，替换掉。

四、时钟页面置换算法（clock）

这种算法只是模型像时钟，其实就是一个环形链表的第二次机会算法，表针指向最老的页面。缺页中断时，执行相同的操作，包括检查R位等。

五、最近最少使用页面置换算法（LRU）

缺页中断发生时，置换未使用时间最长的页面，称为LRU（least recently used）。

LRU是可以实现的，需要维护一个包含所有页面的链表，并且根据实时使用情况更新这个链表，代价是比较大的。

于是，需要对这个算法进行一些改进，也可以说是简化。将每一个页面与一个计数器关联，每次时钟终端，扫描所有页面，将每个页面的R位加到计数器上，这样就大致跟踪了每个页面的使用情况。这种方法称为NFU（not frequently used，最不常用）算法。

这样还是存在一个问题，即很久之前的一次使用，与最近的使用权重相等。

所以，再次改进，将计数器在每次时钟滴答时，右移一位，并把R位加在最高位上。这种算法，称为老化（aging）算法，增加了最近使用的比重。

老化算法只能采用有限的位数，所以可能在一定程度上精度会有所损失。

六、工作集算法

简单来说，工作集就是在最近k次内存访问所使用过的页面的集合。原始的工作集算法同样代价很大，对它进行简化：在过去Nms的北村访问中所用到的页面的集合。

所以，在实现的时候，可以给每个页面一个计时器。需要置换页面时，同实际时间进行对比，R为1，更新到现在时间；R为0，在规定阈值之外的页面可以被置换。

同样，这个算法也可以用时钟的思想进行改进。

七、Linux使用的页面置换算法

Linux区分四种不同的页面：不可回收的、可交换的、可同步的、可丢弃的。

不可回收的：保留的和锁定在内存中的页面，以及内核态栈等。

可交换的：必须在回收之前写回到交换区或者分页磁盘分区。

可同步的：若为脏页面，必须要先写回。

可丢弃的：可以被立即回收的页面。

Linux并没有像我们之前单纯讨论算法时那样，在缺页中断产生的时候才进行页面回收。Linux有一个守护进程kswapd，比较每个内存区域的高低水位来检测是否有足够的空闲页面来使用。每次运行时，仅有一个确定数量的页面被回收。这个阈值是受限的，以控制I/O压力。

每次执行回收，先回收容易的，再处理难的。回收的页面会加入到空闲链表中。

算法是一种改进地LRU算法，维护两组标记：活动/非活动和是否被引用。第一轮扫描清除引用位，如果第二轮运行确定被引用，就提升到一个不太可能回收的状态，否则将该页面移动到一个更可能被回收的状态。

处于非活动列表的页面，自从上次检查未被引用过，因而是移除的最佳选择。被引用但不活跃的页面同样会被考虑回收，是因为一些页面是守护进程访问的，可能很长时间不再使用。

另外，内存管理还有一个守护进程pdflush，会定期醒来，写回脏页面；或者可用内存下降到一定水平后被内核唤醒。