操作系统——页面置换算法

一、页面置换算法简介

操作系统将内存按照页的进行管理，在需要的时候才把进程相应的部分调入内存。当产生缺页中断时，需要选择一个页面写入。如果要换出的页面在内存中被修改过，变成了“脏”页面，那就需要先写会到磁盘。页面置换算法，就是要选出最合适的一个页面，使得置换的效率最高。页面置换算法有很多，简单介绍几个。

二、n种算法介绍

2.1 Optimal算法（最优算法）

首先介绍最优算法，它需要知道以后要被用到的页，然后将不会被用到的页换出内存；如果所有页都会被用到，就把需要使用时间离现在最长的页换出，以尽量使不好的情况晚发生。这种方法能使系统获得最佳性能，但是，它是不可能实现的…因为当前无法获知以后哪些页要被用到。不过最优算法还是能够作为其他算法优秀程度的衡量。

例：假定系统为某进程分配了三个物理块,并考虑有以下的页面号引用串:
7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1
进程运行时,先将 7,0,1 三个页面装入内存。以后,当进程要访问页面 2 时,将会产生缺页中断。此时 OS 根据最佳置换算法,将选择页面 7 予以淘汰。这是因为页面 0 将作为第 5 个被访问的页面,页面 1 是第 14 个被访问的页面,而页面 7 则要在第 18 次页面访问时才需调入。下次访问页面 0 时,因它已在内存而不必产生缺页中断。当进程访问页面 3时,又将引起页面 1 被淘汰;因为,它在现有的 1,2,0 三个页面中,将是以后最晚才被访问的。图 4-26 示出了采用最佳置换算法时的置换图。由图可看出,采用最佳置换算法发生了 6 次页面置换。

2.2 FIFO（First-In First-Out，先进先出）算法

FIFO算法的思想很简单，就是置换出当前已经待在内存里时间最长的那个页。FIFO算法的运行速度很快，不需要考虑其他的因素，需要的开销很少。但是正是由于没有考虑页面的重要性的问题，FIFO算法很容易将重要的页换出内存。

例：同上。当进程第一次访问页面 2 时,将把第 7 页换出,因为它是最先被调入内存的;在第一次访问页面 3 时,又将把第 0 页换出, 因为它在现有的 2, 0, 1 三个页面中是最老的页。由图 4-27 可以看出,利用 FIFO 算法时进行了 12 次页面置换,比最佳置换算法正好多一倍。
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2.3 Second Chance（第二次机会）算法

为了避免FIFO算法将重要的页换出内存，Second Chance算法提供了一些改进。Second Chance算法在将页面换出内存前检查其使用位（使用位前文有介绍），如果其使用位为1，证明此页最近有被使用，猜测它还可能被使用，于是不把它置换出内存，但是把其使用位置为0，随后检查下一个页面，直到发现某页的使用位为0，将此页置换出内存。

2.4 Clock算法（时钟轮转法）

为了节约Second Chance算法一个接着一个检查使用位的开销，时钟轮转法又提出了改进。时钟轮转法将所有的页组成一个圆，圆心的指针指向下一个要被置换的页面，置换前同样检查使用位，如果使用位为1，同样将其使用位置为0，随后将顺指针旋转，检查下一个页面，直到发现某页的使用位为0，将此页置换出内存。很容易理解此算法为什么叫“时钟”轮转法。

图示：
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此时2号页是下一个要被置换出内存的页，置换时如果发现其使用位为1，则将使用位置0后顺时针旋转指针检查1号页。

2.5 LRU（Least Recent Used, 最近最少使用）算法

为获得对最优算法的模拟，提出了LRU算法。由于当前时间之后需要用到哪些页无法提前获知，于是记录当前时间之前页面的使用情况，认为之前使用过的页面以后还会被用到。在置换时，将最近使用最少的页面换出内存。此种方法的开销比较大。

例：同上。当进程第一次对页面 2 进行访问时,由于页面 7 是最近最久未被访问的,故将它置换出去。当进程第一次对页面 3进行访问时,第 1 页成为最近最久未使用的页,将它换出。由图可以看出,前 5 个时间的图像与最佳置换算法时的相同,但这并非是必然的结果。因为,最佳置换算法是从“向后看”的观点出发的,即它是依据以后各页的使用情况;而 LRU 算法则“向前看”的,即根据各页以前的使用情况来判断,而页面过去和未来的走向之间并无必然的联系。

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2.6 Linux使用的页面置换算法

Linux区分四种不同的页面：不可回收的、可交换的、可同步的、可丢弃的。

不可回收的：保留的和锁定在内存中的页面，以及内核态栈等。

可交换的：必须在回收之前写回到交换区或者分页磁盘分区。

可同步的：若为脏页面，必须要先写回。

可丢弃的：可以被立即回收的页面。

Linux并没有像我们之前单纯讨论算法时那样，在缺页中断产生的时候才进行页面回收。Linux有一个守护进程kswapd，比较每个内存区域的高低水位来检测是否有足够的空闲页面来使用。每次运行时，仅有一个确定数量的页面被回收。这个阈值是受限的，以控制I/O压力。

每次执行回收，先回收容易的，再处理难的。回收的页面会加入到空闲链表中。

算法是一种改进地LRU算法，维护两组标记：活动/非活动和是否被引用。第一轮扫描清除引用位，如果第二轮运行确定被引用，就提升到一个不太可能回收的状态，否则将该页面移动到一个更可能被回收的状态。

处于非活动列表的页面，自从上次检查未被引用过，因而是移除的最佳选择。被引用但不活跃的页面同样会被考虑回收，是因为一些页面是守护进程访问的，可能很长时间不再使用。
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另外，内存管理还有一个守护进程pdflush，会定期醒来，写回脏页面；或者可用内存下降到一定水平后被内核唤醒。

2.7 NRU（Not Recent Used，最近未使用）算法

前面提到修改位和使用位，NRU算法利用这两个标志位将所有页帧分为4组：

第0组：修改位和使用位都为0；

第1组：修改位为0，使用位为1；

第2组：修改位为1，使用位为0；

第3组：修改位和使用位都为1。

NRU算法从组数最小的一组中随机选择一个页面将其移出内存。可能有人会发现第2组这种情况根本不会出现，如果一个页帧被修改，其修改位会被置1，同时它也被使用了，其使用位也会被置1；即不会出现被修改但是没有被使用的情况。真实情况是，页帧的使用位会被定时清零，这样第3组经过一次清零就会变成第2组。这也符合“最近”未使用，即很久以前被使用的页帧被清零了，不在统计范围内，只要“最近”没有被使用，就很有可能被移出。

NRU算法不是最好的，但是它使用起来开销很小，用较小的代价就得到了不错的效果，不失为一种不错的算法。