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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

课程幻灯片列表

提纲

1. 页面置换算法的基本概念

最优页面置换算法 (OPT, optimal)
先进先出页面置换算法 (FIFO)
最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
时钟页面置换算法 (Clock)
改进的时钟页面置换算法
最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
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

bg right:50% 100%

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

bg right:50% 100%

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)

bg right:53% 100%

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

页面置换算法的基本概念

2. 最优页面置换算法 (OPT, optimal)

先进先出页面置换算法 (FIFO)
最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
时钟页面置换算法 (Clock)
改进的时钟页面置换算法
最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
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

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最优页面置换算法示例

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最优页面置换算法示例

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最优页面置换算法示例

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提纲

页面置换算法的基本概念
最优页面置换算法 (OPT, optimal)

3. 先进先出页面置换算法 (FIFO)

最近最久未使用页面置换算法 (LRU, Least Recently Used)
时钟页面置换算法 (Clock)
改进的时钟页面置换算法
最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
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

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先进先出算法示例

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先进先出算法示例

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先进先出算法示例

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先进先出算法示例

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先进先出算法示例

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提纲

页面置换算法的基本概念
最优页面置换算法 (OPT, optimal)
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)

时钟页面置换算法 (Clock)
改进的时钟页面置换算法
最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
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

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最近最久未使用算法示例

w:900

最近最久未使用算法示例

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最近最久未使用算法示例

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最近最久未使用算法示例

w:900

最近最久未使用算法示例

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最近最久未使用算法示例

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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

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LRU的活动页面栈实现示例

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LRU的活动页面栈实现示例

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LRU的活动页面栈实现示例

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LRU的活动页面栈实现示例

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LRU的活动页面栈实现示例

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LRU的活动页面栈实现示例

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LRU的活动页面栈实现示例

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LRU的活动页面栈实现示例

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提纲

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

改进的时钟页面置换算法
最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
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

提纲

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

6. 改进的时钟页面置换算法

最不常用页面置换算法 (LFU, Least Frequently Used)
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

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改进的时钟置换算法示例

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改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

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改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

改进的时钟置换算法示例

w:1000

提纲

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

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

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 w:1100

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2 w:1100

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2 w:1100

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2 w:1100

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2 w:1100

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2 w:1100

LFU示例

4个物理页帧，最初的访问次数a-＞8 b-＞5 c-＞6 d-＞2 w:1100

提纲

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