操作系统概念 --- 读书笔记第9章：虚拟内存

墨蓝 2022-05-31 09:56 435阅读 0赞

本篇主要讲述页面置换的相关算法总结。

在地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时，如果操作系统内存中没有空闲页面，则操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。

9.1 页面置换算法

9.1.1 FIFO页置换  
FIFO页置换就是记录每一个页的时间，假如存在空闲页，追替换，否者替换最旧的页。

存在Belady异常，也即当k个页做置换的误差要比h个页做置换还要打，其中k>h

9.1.2 最优置换

Belady异常发现结果之一就是设计最优页面置换算法，该算法是所有页面置换算法中错误率最低的，并且不存在Belady异常。

最优页面置换算法是这样设计的：需要替换页的时候寻找最晚出现的页面，并选择替换掉，这个理论上错误率是最低的，但是需要了解未来的需要置换的页的序列，这个就很难做到了，只能做一个预测

9.1.3 LRU 页置换 Least Recently Used

最优置换是向后看，那么过采用向前看，也即讲过去最近使用作为将来的近视，这个技术LRU算法

如何实现LRU算法呢？有两种方法  
1）**计数器。**给每一个页关联一个时间域，每次页引用计数器加一，置换具有最小时间的页即可  
2）**栈。**每当引用一个页，从栈中删除改页并放到顶部，那么栈的顶部就是最近使用的页，需要置换的页在栈的底部，这个可以通过双向链表实现。

最优置换和LRU置换都没有Belady异常，因为他们是同一类算法，都是栈算法，这个是可以证明的，这里就不在描述了。需要注意的地方时如果自语TLB寄存器而没有其他的硬件支持，这两种LRU算法的实现都是不可能的。因为每次引用都要更新时钟或者栈，如果每次引用都采用中断允许软件去做相关修改，那么它会使内存引用过至少慢10倍，用户进程也至少慢10倍，没有系统可以容忍这么大的开销。

9.1.4 近视LRU页置换

因为很少有系统能够提供足够的硬件对LRU算法的支持，所以很多系统必须使用FIFO页置换算法。然而很多系统可以通过**引用位**提供一定的支持。页表每一项都有一个引用位，每当引用（无论是读还是写）页的时候引用位都会被硬件置位。

开始的时候引用位置位0，随着每一次的页引用，都会被置位1，通过检查引用位可以判断哪些被引用过哪些未被引用过，虽然不知道具体引用次序，但是这些信息也足够作为页面置换算法的基础。

因此右下面两个算法

*  **附加引用位算法**  
    可以为位于内存中的每个表中的页保留一个8bit的字节。操作系统把每个页的引用位转移到其8bit字节的高位，而将其他位右移，并抛弃最低位。如果将8bit字节作为无符号整数，那么具有最小值的页为LRU页，且可以被置换。
 *  **二次机会算法**  
    二次机会置换的基本算法是FIFO置换算法。当要选择一个页时，检查其引用位。如果其值为0，那么就直接置换该页。如果引用位为1，那么就给该页第二次机会，同时置换为0，并选择下一个FIFO页。当一个页获得第二次机会时，其引用位清零。且其到达时间设为当前时间。因此获得第二次机会的页，在所有其他页置换之前，是不会被置换的。另外，如果一个页经常使用以致于其引用位总是得到设置，那么它就不会被置换。

一种实现二次机会算法的方法是采用循环队列。用一个指针表示下次要置换哪个页。当需要一个帧时，指针向前移动直到找到一个引用位为0的页。在向前移动时，它将清除引用位。

*  **增强型二次机会算法**

通过将引用位和修改位作为一个有序对来考虑，能增强二次机会算法。有下面四种可能类型：

1.  (0,0)最近没有使用且也没有修改。—用于置换的最佳页；
2.  (0,1)最近没有使用但修改过。—不是很好，因为在置换之前需要将页写出到磁盘
3.  (1,0)最近使用过但没有修改—它有可能很快又要被使用；
4.  (1,1)最近使用过且修改过—它有可能很快又要被使用，且置换之前需要将页写出到磁盘

9.1.5 基于计数的页置换

有如下两种算法：  
1. **最不经常使用页置换算法(LFU)**  
这个方法就是统计所有的引用页的次数，做一个计数，选择计数最小的去做置换。但是可能出现一个页用过的次数很多，但是以后不会用了，这个可以固定周期衰减计数器即可，比如固定周期右移一位。

1.  **最常使用页置换算法(MFU)**  
    这个是基于这样的想方法：具有最小次数的页可能刚刚调进去，还没来得及使用，

这两种算法的实现都很费时，且不能很好地近似OPT置换算法。

9.1.6 页缓冲算法

系统通常保留一个空闲帧缓冲池。当出现页错误时，会像以前一样选择一个牺牲帧，在牺牲帧写出之前，所需要的页就从缓冲池中读到空闲内存。

9.1.7 全局分配和局部分配

全局置换允许进程从所有帧集合中选择一个进行置换，而不管该帧是否已分配给其他进程，即它可以从其他进程抢夺帧，比如高优先级抢夺低优先级的帧；局部分配则要求每个进程只能从自己的分配帧中分配。  
**全局置换通常有更好的吞吐量，且更为常用**