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页面置换算法的常见的置换算法

发布时间:2019-06-16 08:00 来源:未知 编辑:admin

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  最简单的页面置换算法是先入先出(FIFO)法。这种算法的实质是,总是选择在主存中停留时间最长(即最老)的一页置换,即先进入内存的页,先退出内存。理由是:最早调入内存的页,其不再被使用的可能性比刚调入内存的可能性大。建立一个FIFO队列,收容所有在内存中的页。被置换页面总是在队列头上进行。当一个页面被放入内存时,就把它插在队尾上。

  这种算法只是在按线性顺序访问地址空间 时才是理想的,否则效率不高。因为那些常被访问的页,往往在主存中也停留得最久,结果它们因变“老”而不得不被置换出去。

  FIFO的另一个缺点是,它有一种异常现象,即在增加存储块的情况下,反而使缺页中断率增加了。当然,导致这种异常现象的页面走向实际上是很少见的。

  FIFO算法和OPT算法之间的主要差别是,FIFO算法利用页面进入内存后的时间长短作为置换依据,而OPT算法的依据是将来使用页面的时间。如果以最近的过去作为不久将来的近似,那么就可以把过去最长一段时间里不曾被使用的页面置换掉。它的实质是,当需要置换一页时,选择在之前一段时间里最久没有使用过的页面予以置换。这种算法就称为最久未使用算法(Least Recently Used,LRU)。

  LRU算法是与每个页面最后使用的时间有关的。当必须置换一个页面时,LRU算法选择过去一段时间里最久未被使用的页面。

  LRU算法是经常采用的页面置换算法,并被认为是相当好的,但是存在如何实现它的问题。LRU算法需要实际硬件的支持。其问题是怎么确定最后使用时间的顺序,对此有两种可行的办法:

  1.计数器。最简单的情况是使每个页表项对应一个使用时间字段,并给CPU增加一个逻辑时钟或计数器。每次存储访问,该时钟都加1。每当访问一个页面时,时钟寄存器的内容就被复制到相应页表项的使用时间字段中。这样我们就可以始终保留着每个页面最后访问的“时间”。在置换页面时,选择该时间值最小的页面。这样做, 不仅要查页表,而且当页表改变时(因CPU调度)要 维护这个页表中的时间,还要考虑到时钟值溢出的问题。

  2.栈。用一个栈保留页号。每当访问一个页面时,就把它从栈中取出放在栈顶上。这样一来,栈顶总是放有目前使用最多的页,而栈底放着目前最少使用的页。由于要从栈的中间移走一项,所以要用具有头尾指针的双向链连起来。在最坏的情况下,移走一页并把它放在栈顶上需要改动6个指针。每次修改都要有开销,但需要置换哪个页面却可直接得到,用不着查找,因为尾指针指向栈底,其中有被置换页。

  因实现LRU算法必须有大量硬件支持,还需要一定的软件开销。所以实际实现的都是一种简单有效的LRU近似算法。

  一种LRU近似算法是最近未使用算法(Not Recently Used,NUR)。它在存储分块表的每一表项中增加一个引用位,操作系统定期地将它们置为0。当某一页被访问时,由硬件将该位置1。过一段时间后,通过检查这些位可以确定哪些页使用过,哪些页自上次置0后还未使用过。就可把该位是0的页淘汰出去,因为在之前最近一段时间里它未被访问过。

  在采用最少使用置换算法时,应为在内存中的每个页面设置一个移位寄存器,用来记录该页面被访问的频率。该置换算法选择在之前时期使用最少的页面作为淘汰页。由于存储器具有较高的访问速度,例如100 ns,在1 ms时间内可能对某页面连续访 问成千上万次,因此,通常不能直接利用计数器来记录某页被访问的次数,而是采用移位寄存器方式。每次访问某页时,便将该移位寄存器的最高位置1,再每隔一定时间(例如100 ns)右移一次。这样,在最近一段时间使用最少的页面将是∑Ri最小的页。

  LFU置换算法的页面访问图与LRU置换算法的访问图完全相同;或者说,利用这样一套硬件既可实现LRU算法,又可实现LFU算法。应该指出,LFU算法并不能真正反映出页面的使用情况,因为在每一时间间隔内,只是用寄存器的一位来记录页的使用情况,因此,访问一次和访问10 000次是等效的。

  第二次机会算法的基本思想是与FIFO相同的,但是有所改进,避免把经常使用的页面置换出去。当选择置换页面时,检查它的访问位。如果是 0,就淘汰这页;如果访问位是1,就给它第二次机会,并选择下一个FIFO页面。当一个页面得到第二次机会时,它的访问位就清为0,它的到达时间就置为当前时间。如果该页在此期间被访问过,则访问位置1。这样给了第二次机会的页面将不被淘汰,直至所有其他页面被淘汰过(或者也给了第二次机会)。因此,如果一个页面经常使用,它的访问位总保持为1,它就从来不会被淘汰出去。

  第二次机会算法可视为一个环形队列。用一个指针指示哪一页是下面要淘汰的。当需要一个 存储块时,指针就前进,直至找到访问位是0的页。随着指针的前进,把访问位就清为0。在最坏的情况下,所有的访问位都是1,指针要通过整个队列一周,每个页都给第二次机会。这时就退化成FIFO算法了。

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