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第六讲虚拟存储管理

第三节全局页面置换算法

向勇陈渝李国良任炬

2024年春季

课程幻灯片列表

提纲

1. 全局页面置换算法的定义

工作集页面置换算法
缺页率页面置换算法

局部置换算法没有考虑进程访存差异

FIFO 页面置换算法: 假设初始顺序 a->b->c 物理页面数: 3 缺页次数: 9 w:1100

局部置换算法没有考虑进程访存差异

FIFO 页面置换算法: 假设初始顺序 a->b->c 物理页面数: 4 缺页次数: 1 w:1100

全局置换算法的工作原理

思路
- 为进程分配可变数目的物理页面
全局置换算法要解决的问题
- 进程在不同阶段的内存需求是变化的
- 分配给进程的内存也需要在不同阶段有所变化
- 全局置换算法需要确定分配给进程的物理页面数

CPU利用率与程序运行数量

bg right:40% 100%

CPU利用率与程序运行数量存在相互促进和制约的关系
- 运行程序少时，提高程序运行数，可提高CPU利用率
- 程序运行数量大导致内存访问增加，并会降低访存的局部性
- 局部性下降会导致缺页率上升和CPU利用率下降

提纲

全局页面置换算法的定义

2. 工作集页面置换算法

缺页率页面置换算法

工作集

一个进程当前正在使用的逻辑页面集合，可表示为二元函数W(t, $\Delta$)

当前执行时刻$t$
工作集窗口(working-set window)$\Delta$：一个定长的页面访问时间窗口
工作集窗口$\Delta$的大小$\tau$
- 时间段长度，用当前时刻 $t$ 前的内存访问次数来表示
工作集W(t, $\Delta$)
- 在当前时刻 $t$ 前的$\Delta$时间窗口中的所有访问页面所组成的集合
工作集大小 | W(t, $\Delta$) |：W(t, $\Delta$)中页面数目

进程的工作集示例

页面访问顺序： W(t, $\Delta$) ={1,2,5,6,7} , 工作集窗口大小 $\tau=10, 当前时刻 t=t_1$ w:1100

进程的工作集示例

页面访问顺序： W(t, $\Delta$) ={1,2,3,4,5,6,7} , 工作集窗口大小 $\tau=10, 当前时刻 t=t_1$

w:1100

进程的工作集示例

页面访问顺序： W(t, $\Delta$) ={3,4}，工作集窗口大小 $\tau=10$，当前时刻 $t=t_2$

w:1100

工作集的变化

w:600

进程开始执行后，随着访问新页面逐步建立较稳定的工作集
当内存访问的局部性区域位置大致稳定时，工作集大小也大致稳定
局部性区域位置改变时，工作集快速扩张和收缩过渡到下一个稳定值

常驻集

在当前时刻，进程实际驻留内存中的页面集合

工作集与常驻集的关系
- 工作集是进程在运行过程中的固有性质
- 常驻集取决于系统分配给进程的物理页面数目和页面置换算法
缺页率与常驻集的关系
- 常驻集 $\supseteq$ 工作集时，缺页较少
- 工作集发生剧烈变动（过渡）时，缺页较多
- 进程常驻集大小达到一定数目后，缺页率也不会明显下降

工作集页面置换算法

思路
- 换出不在工作集中的页面
工作集窗口大小$\tau$
- 当前时刻前$\tau$次内存访问的页面集合构成工作集
实现方法
- 访存链表：维护窗口内的访存页面链表
- 访存时，换出不在工作集的页面，更新访存链表
- 缺页时，换入页面，更新访存链表

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

工作集置换算法示例

$\tau=4$

w:1100

提纲

全局页面置换算法的定义
工作集页面置换算法

3. 缺页率页面置换算法

缺页率(Page-Fault-Frequency, Page Fault Rate)

缺页次数 / 内存访问次数或缺页平均时间间隔的倒数

影响缺页率的因素
- 页面置换算法
- 分配给进程的物理页面数目
- 页面大小
- 程序的编写方法

缺页率置换算法

bg right:60% 100%

通过调节常驻集大小，使每个进程的缺页率保持在一个合理的范围内

若进程缺页率过高，则增加常驻集以分配更多的物理页面
若进程缺页率过低，则减少常驻集以减少它的物理页面数

缺页率页面置换算法

访存时，设置引用位标志
缺页时，计算从上次缺页时间$t_{last}$ 到现在$t_{current}$ 的时间间隔
- 如果 $t_{current} – t_{last}>T$（容忍的缺页窗口），则置换所有在$[t_{last} , t_{current} ]$时间内没有被引用的页
- 如果$t_{current} – t_{last} \le T$，则增加缺失页到常驻集中