第六讲 虚拟存储管理

第二节 局部页面置换算法



向勇 陈渝 李国良 任炬

2024年春季

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提纲

1. 页面置换算法的基本概念

  1. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)
  2. 先进先出页面置换算法 (FIFO)
  3. 最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
  4. 时钟页面置换算法 (Clock)
  5. 改进的时钟页面置换算法
  6. 最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
  7. Belady现象

页面置换算法的功能与设计目标

  • 功能

    • 出现缺页异常需调入新页面而内存已满时，置换算法选择被置换的物理页面

  • 设计目标

    • 尽可能减少页面缺页次数、换入/换出次数
    • 把未来不再访问或短期内不访问的页面调出

页面置换的时机

  • 空闲内存数量上限和下限
  • 到达下限，开始回收内存
  • 到达上限，暂停回收内存

页面锁定(frame locking)/常驻内存

必须常驻内存的逻辑页面

  • 操作系统的关键部分
  • 要求响应速度的代码和数据
  • 页表中的锁定标志位(lock bit)

页面置换算法的评价方法

  • 评价方法
    • 记录进程访问内存页面的轨迹，模拟置换行为，记录缺页次数；
    • 更少的缺页, 更好的性能
  • 示例: 虚拟地址访问用(页号, 位移)表示
(3,0),  (1,9),  (4,1),  (2,1),  (5,3),  (2,0),  (1,9),  (2,4),  (3,1),  (4,8)
  • 对应的页面轨迹
3, 1, 4, 2, 5, 2, 1, 2, 3, 4 用数字表示 
c, a, d, b, e, b, a, b, c, d 用字符表示

页面置换算法的分类

  • 局部页面置换算法

    • 置换页面的选择范围仅限于当前进程占用的物理页面内
    • 最优算法、先进先出算法、最近最久未使用算法
    • 时钟算法、最不常用算法

  • 全局页面置换算法

    • 置换页面的选择范围是所有可换出的物理页面
    • 工作集算法、缺页率算法

提纲

  1. 页面置换算法的基本概念

2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)

  1. 先进先出页面置换算法 (FIFO)
  2. 最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
  3. 时钟页面置换算法 (Clock)
  4. 改进的时钟页面置换算法
  5. 最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
  6. Belady现象

最优页面置换算法的工作原理

  • 基本思路
    • 置换在未来最长时间不访问的页面
  • 算法实现
    • 缺页时，计算内存中每个逻辑页面的下一次访问时间
    • 选择未来最长时间不访问的页面

最优页面置换算法特征

  • 缺页最少，是理想情况
  • 实际系统中无法实现
  • 无法预知每个页面在下次访问前的等待时间
    • 在模拟器上运行某个程序，并记录每一次的页面访问情况
    • 第二遍运行时使用最优算法

最优页面置换算法示例

最优页面置换算法示例

最优页面置换算法示例

最优页面置换算法示例

提纲

  1. 页面置换算法的基本概念
  2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)

3. 先进先出页面置换算法 (FIFO)

  1. 最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
  2. 时钟页面置换算法 (Clock)
  3. 改进的时钟页面置换算法
  4. 最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
  5. Belady现象

先进先出算法的工作原理

  • 基本思路
    • 选择在内存驻留时间最长的页面进行置换
  • 算法实现
    • 维护一个记录所有位于内存中的逻辑页面链表
    • 链表元素按驻留内存的时间排序，链首最长，链尾最短
    • 出现缺页时，选择链首页面进行置换，新页面加到链尾

先进先出算法特征

  • 实现简单
  • 性能较差，调出的页面可能是经常访问的
  • 分配物理页面数增加时，缺页并不一定减少(Belady现象)
  • 很少单独使用

先进先出算法示例

先进先出算法示例

先进先出算法示例

先进先出算法示例

先进先出算法示例

先进先出算法示例

提纲

  1. 页面置换算法的基本概念
  2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)
  3. 先进先出页面置换算法 (FIFO)

4. 最近最久未使用算法 (LRU, Least Recently Used)

  1. 时钟页面置换算法 (Clock)
  2. 改进的时钟页面置换算法
  3. 最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
  4. Belady现象

最近最久未使用算法的工作原理

  • 基本思路

    • 选择最长时间没有被引用的页面进行置换
    • 如某页面长时间未被访问，则它在将来还可能会长时间不会访问

  • 算法实现

    • 缺页时，计算内存中每个逻辑页面的上一次访问时间
    • 选择上一次使用到当前时间最长的页面进行置换

  • 算法特征

    • 最优置换算法的一种近似

最近最久未使用算法示例

最近最久未使用算法示例

最近最久未使用算法示例

最近最久未使用算法示例

最近最久未使用算法示例

最近最久未使用算法示例

最近最久未使用算法示例

LRU的页面链表实现

  • 页面链表
    • 系统维护一个按最近一次访问时间排序的页面链表
      • 链表首节点是最近刚刚使用过的页面
      • 链表尾节点是最久未使用的页面
    • 访问内存时，找到相应页面，并把它移到链表之首
    • 缺页时，置换链表尾节点的页面
  • 特征
    • 开销大

LRU的活动页面栈实现

  • 活动页面栈
    • 访问页面时，将此页号压入栈顶，并栈内相同的页号抽出
    • 缺页时，置换栈底的页面
  • 特征
    • 开销大

LRU的活动页面栈实现示例

LRU的活动页面栈实现示例

LRU的活动页面栈实现示例

LRU的活动页面栈实现示例

LRU的活动页面栈实现示例

LRU的活动页面栈实现示例

LRU的活动页面栈实现示例

LRU的活动页面栈实现示例

LRU的活动页面栈实现示例

提纲

  1. 页面置换算法的基本概念
  2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)
  3. 先进先出页面置换算法 (FIFO)
  4. 最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)

5. 时钟页面置换算法 (Clock)

  1. 改进的时钟页面置换算法
  2. 最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
  3. Belady现象

时钟置换算法的工作原理

  • 基本思路
    • 仅对页面的访问情况进行大致统计
  • 数据结构
    • 在页表项中增加访问位，描述页面在过去一段时间的内访问情况
    • 各页面组织成环形链表
    • 指针指向最先调入的页面

时钟置换算法的工作原理

  • 驻留位：1内存；0外存
  • 访问位：1访问；0未访问
  • 页帧号：物理页面位置
  • 算法实现
    • 访问页面时，在页表项记录页面访问情况
    • 缺页时，从指针处开始顺序查找未被访问的页面进行置换

时钟置换算法的具体实现过程

  • 页面装入内存时，访问位初始化为0
  • 访问页面（读/写)时，访问位置1
  • 缺页时，从指针当前位置顺序检查
    • 访问位为0，则置换该页
    • 访问位为1，则访问位置0，并指针移动到下一个页面，直到找到可置换的页面
  • 算法特征
    • 时钟算法是LRU和FIFO的折中

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

时钟置换算法示例

提纲

  1. 页面置换算法的基本概念
  2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)
  3. 先进先出页面置换算法 (FIFO)
  4. 最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
  5. 时钟页面置换算法 (Clock)

6. 改进的时钟页面置换算法

  1. 最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
  2. Belady现象

改进的时钟置换算法的工作原理

  • 基本思路
    • 减少修改页的缺页处理开销
  • 数据结构
    • 在页面中增加修改位，描述页面在过去一段时间的内写访问情况
  • 算法实现
    • 访问页面时，在页表项记录页面访问情况
    • 修改页面时，在页表项记录页面修改情况
    • 缺页时，修改页面标志位，以跳过有修改的页面

改进的时钟置换算法的工作原理

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

改进的时钟置换算法示例

提纲

  1. 页面置换算法的基本概念
  2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)
  3. 先进先出页面置换算法 (FIFO)
  4. 最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
  5. 时钟页面置换算法 (Clock)
  6. 改进的时钟页面置换算法

7. 最不常用置换算法 (LFU, Least Frequently Used)

  1. Belady现象

最不常用算法的工作原理

  • 基本思路

    • 缺页时，置换访问次数最少的页面

  • 算法实现

    • 每个页面设置一个访问计数
    • 访问页面时，访问计数加1
    • 缺页时，置换计数最小的页面

最不常用算法特征

  • 特征

    • 算法开销大
    • 开始时频繁使用，但以后不使用的页面很难置换
      • 解决方法：计数定期右移

  • LRU关注多久未访问,时间越短越好

  • LFU关注访问次数，次数越多越好

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2

提纲

  1. 页面置换算法的基本概念
  2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)
  3. 先进先出页面置换算法 (FIFO)
  4. 最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
  5. 时钟页面置换算法 (Clock)
  6. 改进的时钟页面置换算法
  7. 最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)

8. Belady现象

Belady现象

  • 现象
    • 采用FIFO等算法时，可能出现分配的物理页面数增加，缺页次数反而升高的异常现象
  • 原因
    • FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征矛盾
    • 被它置换出去的页面并不一定是进程近期不会访问的
  • 思考
    • 哪些置换算法没有Belady现象？

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 3 ； 缺页次数: 9

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

FIFO算法的Belady现象

访问顺序 : 1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3, 4, 5
物理页面数: 4 ； 缺页次数: 10

FIFO算法存在Belady现象


LRU算法不存在Belady现象

时钟/改进的时钟页面置换是否有Belady现象？
为什么LRU页面置换算法没有Belady现象？

LRU、FIFO和Clock的比较

  • LRU算法和FIFO本质上都是先进先出的思路
  • LRU依据页面的最近访问时间排序
  • LRU需要动态地调整顺序
  • FIFO依据页面进入内存的时间排序
  • FIFO的页面进入时间是固定不变的

LRU、FIFO和Clock的比较

  • LRU可退化成FIFO
    • 如页面进入内存后没有被访问，最近访问时间与进入内存的时间相同
    • 例如：给进程分配3个物理页面，逻辑页面的访问顺序为1、2、3、4、5、6、1、2、3…

LRU、FIFO和Clock的比较

  • LRU算法性能较好，但系统开销较大
  • FIFO算法系统开销较小，会发生Belady现象
  • Clock算法是它们的折衷
    • 页面访问时，不动态调整页面在链表中的顺序，仅做标记
    • 缺页时，再把它移动到链表末尾
    • 对于未被访问的页面，Clock和LRU算法的表现一样好
    • 对于被访问过的页面，Clock算法不能记录准确访问顺序，而LRU算法可以

小结

  1. 页面置换算法的基本概念
  2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)
  3. 先进先出页面置换算法 (FIFO)
  4. 最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
  5. 时钟页面置换算法 (Clock)
  6. 改进的时钟页面置换算法
  7. 最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
  8. Belady现象

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