基本介紹
- 中文名：頁面置換算法
- 套用學科：計算機
- 適用領域範圍：計算機網路
- 適用領域範圍：伺服器終端
常見的置換算法,最佳置換算法（OPT）,先進先出置換算法（FIFO）,最近最久未使用（LRU）算法,作業系統頁面置換算法代碼,
常見的置換算法
最佳置換算法（OPT）
這是一種理想情況下的頁面置換算法，但實際上是不可能實現的。該算法的基本思想是：發生缺頁時，有些頁面在記憶體中，其中有一頁將很快被訪問（也包含緊接著的下一條指令的那頁），而其他頁面則可能要到10、100或者1000條指令後才會被訪問，每個頁面都可以用在該頁面首次被訪問前所要執行的指令數進行標記。最佳頁面置換算法只是簡單地規定：標記最大的頁應該被置換。這個算法唯一的一個問題就是它無法實現。當缺頁發生時，作業系統無法知道各個頁面下一次是在什麼時候被訪問。雖然這個算法不可能實現，但是最佳頁面置換算法可以用於對可實現算法的性能進行衡量比較。
先進先出置換算法（FIFO）
最簡單的頁面置換算法是先入先出（FIFO）法。這種算法的實質是，總是選擇在主存中停留時間最長（即最老）的一頁置換，即先進入記憶體的頁，先退出記憶體。理由是：最早調入記憶體的頁，其不再被使用的可能性比剛調入記憶體的可能性大。建立一個FIFO佇列，收容所有在記憶體中的頁。被置換頁面總是在佇列頭上進行。當一個頁面被放入記憶體時，就把它插在隊尾上。
這種算法只是在按線性順序訪問地址空間時才是理想的，否則效率不高。因為那些常被訪問的頁，往往在主存中也停留得最久，結果它們因變“老”而不得不被置換出去。
FIFO的另一個缺點是，它有一種異常現象，即在增加存儲塊的情況下，反而使缺頁中斷率增加了。當然，導致這種異常現象的頁面走向實際上是很少見的。
最近最久未使用（LRU）算法
FIFO算法和OPT算法之間的主要差別是，FIFO算法利用頁面進入記憶體後的時間長短作為置換依據，而OPT算法的依據是將來使用頁面的時間。如果以最近的過去作為不久將來的近似，那么就可以把過去最長一段時間裡不曾被使用的頁面置換掉。它的實質是，當需要置換一頁時，選擇在之前一段時間裡最久沒有使用過的頁面予以置換。這種算法就稱為最久未使用算法（Least Recently Used，LRU）。
LRU算法是與每個頁面最後使用的時間有關的。當必須置換一個頁面時，LRU算法選擇過去一段時間裡最久未被使用的頁面。
LRU算法是經常採用的頁面置換算法，並被認為是相當好的，但是存在如何實現它的問題。LRU算法需要實際硬體的支持。其問題是怎么確定最後使用時間的順序，對此有兩種可行的辦法：
1.計數器。最簡單的情況是使每個頁表項對應一個使用時間欄位，並給CPU增加一個邏輯時鐘或計數器。每次存儲訪問，該時鐘都加1。每當訪問一個頁面時，時鐘暫存器的內容就被複製到相應頁表項的使用時間欄位中。這樣我們就可以始終保留著每個頁面最後訪問的“時間”。在置換頁面時，選擇該時間值最小的頁面。這樣做，不僅要查頁表，而且當頁表改變時（因CPU調度）要維護這個頁表中的時間，還要考慮到時鐘值溢出的問題。
2.棧。用一個棧保留頁號。每當訪問一個頁面時，就把它從棧中取出放在棧頂上。這樣一來，棧頂總是放有目前使用最多的頁，而棧底放著目前最少使用的頁。由於要從棧的中間移走一項，所以要用具有頭尾指針的雙向鏈連起來。在最壞的情況下，移走一頁並把它放在棧頂上需要改動6個指針。每次修改都要有開銷，但需要置換哪個頁面卻可直接得到，用不著查找，因為尾指針指向棧底，其中有被置換頁。
因實現LRU算法必須有大量硬體支持，還需要一定的軟體開銷。所以實際實現的都是一種簡單有效的LRU近似算法。
一種LRU近似算法是最近未使用算法（Not Recently Used，NUR）。它在存儲分塊表的每一表項中增加一個引用位，作業系統定期地將它們置為0。當某一頁被訪問時，由硬體將該位置1。過一段時間後，通過檢查這些位可以確定哪些頁使用過，哪些頁自上次置0後還未使用過。就可把該位是0的頁淘汰出去，因為在之前最近一段時間裡它未被訪問過。
4）Clock置換算法（LRU算法的近似實現）
5）最少使用（LFU）置換算法
在採用最少使用置換算法時，應為在記憶體中的每個頁面設定一個移位暫存器，用來記錄該頁面被訪問的頻率。該置換算法選擇在之前時期使用最少的頁面作為淘汰頁。由於存儲器具有較高的訪問速度，例如100 ns，在1 ms時間內可能對某頁面連續訪問成千上萬次，因此，通常不能直接利用計數器來記錄某頁被訪問的次數，而是採用移位暫存器方式。每次訪問某頁時，便將該移位暫存器的最高位置1，再每隔一定時間(例如100 ns)右移一次。這樣，在最近一段時間使用最少的頁面將是∑Ri最小的頁。
LFU置換算法的頁面訪問圖與LRU置換算法的訪問圖完全相同；或者說，利用這樣一套硬體既可實現LRU算法，又可實現LFU算法。應該指出，LFU算法並不能真正反映出頁面的使用情況，因為在每一時間間隔內，只是用暫存器的一位來記錄頁的使用情況，因此，訪問一次和訪問10 000次是等效的。
6）工作集算法
7）工作集時鐘算法
8）老化算法（非常類似LRU的有效算法）
9）NRU(最近未使用）算法
10）第二次機會算法
第二次機會算法的基本思想是與FIFO相同的，但是有所改進，避免把經常使用的頁面置換出去。當選擇置換頁面時，檢查它的訪問位。如果是0，就淘汰這頁；如果訪問位是1，就給它第二次機會，並選擇下一個FIFO頁面。當一個頁面得到第二次機會時，它的訪問位就清為0，它的到達時間就置為當前時間。如果該頁在此期間被訪問過，則訪問位置1。這樣給了第二次機會的頁面將不被淘汰，直至所有其他頁面被淘汰過（或者也給了第二次機會）。因此，如果一個頁面經常使用，它的訪問位總保持為1，它就從來不會被淘汰出去。
第二次機會算法可視為一個環形佇列。用一個指針指示哪一頁是下面要淘汰的。當需要一個存儲塊時，指針就前進，直至找到訪問位是0的頁。隨著指針的前進，把訪問位就清為0。在最壞的情況下，所有的訪問位都是1，指針要通過整個佇列一周，每個頁都給第二次機會。這時就退化成FIFO算法了。
作業系統頁面置換算法代碼
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> #define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1
#define NUL 0
#define total_instruction 320 /*指令流長*/
#define total_vp 32 /*虛頁長*/
#define clear_period 50 /*清零周期*/
typedef struct{ /*頁面結構*/
int pn,pfn,counter,time;
}pl_type;
pl_type pl[total_vp]; /*頁面結構數組*/
struct pfc_struct{ /*頁面控制結構*/
int pn,pfn;
struct pfc_struct *next;
};
typedef struct pfc_struct pfc_type;
pfc_type pfc[total_vp],*freepf_head,*busypf_head,*busypf_tail;
int diseffect,a[total_instruction];
int page[total_instruction], offset[total_instruction];
void initialize(int);
void FIFO(int);
void LRU(int);
void NUR(int);
int main()
{
int S,i;
srand((int)getpid());
S=(int)rand()%390;
for(i=0;i<total_instruction;i+=1) /*產生指令佇列*/
{
a[i]=S; /*任選一指令訪問點*/
a[i+1]=a[i]+1; /*順序執行一條指令*/
a[i+2]=(int)rand()%390; /*執行前地址指令m’*/
a[i+3]=a[i+2]+1; /*執行後地址指令*/
S=(int)rand()%390;
}
for(i=0;i<total_instruction;i++) /*將指令序列變換成頁地址流*/
{
page[i]=a[i]/10;
offset[i]=a[i]%10;
}
for(i=4;i<=32;i++) /*用戶記憶體工作區從4個頁面到32個頁面*/
{
printf("%2d page frames",i);
FIFO(i);
LRU(i);
NUR(i);
printf("\n");
}
return 0;
}
void FIFO(int total_pf) /*FIFO(First in First out)ALGORITHM*/
/*用戶進程的記憶體頁面數*/
{
int i;
pfc_type *p, *t;
initialize(total_pf); /*初始化相關頁面控制用數據結構*/
busypf_head=busypf_tail=NUL; /*忙頁面佇列頭，對列尾連結*/
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{
if(pl[page[i]].pfn==INVALID) /*頁面失效*/
{
diseffect+=1; /*失效次數*/
if(freepf_head==NUL) /*無空33閒頁面*/
{
p=busypf_head->next;
pl[busypf_head->pn].pfn=INVALID; /*釋放忙頁面佇列中的第一個頁面*/
freepf_head=busypf_head;
freepf_head->next=NUL;
busypf_head=p;
}
p=freepf_head->next; /*按方式調新頁面入記憶體頁面*/
freepf_head->next=NUL;
freepf_head->pn=page[i];
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
if(busypf_tail==NUL)
busypf_head=busypf_tail=freepf_head;
else
{
busypf_tail->next=freepf_head;
busypf_tail=freepf_head;
}
freepf_head=p;
}
}
printf("FIFO:%6.4F",1-(float)diseffect/320);
}
void LRU(int total_pf)
{
int min,minj,i,j,present_time;
initialize(total_pf);present_time=0;
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{
if(pl[page[i]].pfn==INVALID) /*頁面失效*/
{
diseffect++;
if(freepf_head==NUL) /*無空閒2頁面*/
{
min=32767;
for(j=0;j<total_vp;j++)
if(min>pl[j].time&&pl[j].pfn!=INVALID)
{
min=pl[j].time;
minj=j;
}
freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn];
pl[minj].pfn=INVALID;
pl[minj].time=-1;
freepf_head->next=NUL;
}
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
pl[page[i]].time=present_time;
freepf_head=freepf_head->next;
}
else
pl[page[i]].time=present_time;
present_time++;
}
printf("LRU:%6.4f",1-(float)diseffect/320);
}
void NUR(int total_pf)
{
int i,j,dp,cont_flag,old_dp;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
dp=0;
for(i=0;i<total_instruction;i++)
{
if(pl[page[i]].pfn==INVALID) /*頁面失效*/
{
diseffect++;
if(freepf_head==NUL) /*無空閒1頁面*/
{
cont_flag=TRUE;old_dp=dp;
while(cont_flag)
if(pl[dp].counter==0&&pl[dp].pfn!=INVALID)
cont_flag=FALSE;
else
{
dp++;
if(dp==total_vp)
dp=0;
if(dp==old_dp)
for(j=0;j<total_vp;j++)
pl[j].counter=0;
}
freepf_head=&pfc[pl[dp].pfn];
pl[dp].pfn=INVALID;
freepf_head->next=NUL;
}
pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
freepf_head=freepf_head->next;
}
else
pl[page[i]].counter=1;
if(i%clear_period==0)
for(j=0;j<total_vp;j++)
pl[j].counter=0;
}
printf("NUR:%6.4f",1-(float)diseffect/320);
}
void initialize(int total_pf) /*初始化相關數據結構*/
/*用戶進程的記憶體頁面數*/
{
int i;
diseffect=0;
for(i=0;i<total_vp;i++)
{
pl[i].pn=i;pl[i].pfn=INVALID; /*置頁面控制結構中的頁號，頁面為空*/
pl[i].counter=0;pl[i].time=-1; /*頁面控制結構中的訪問次數為0，時間為-1*/
}
for(i=1;i<total_pf;i++)
{
pfc[i-1].next=&pfc[i];pfc[i-1].pfn=i-1;/*建立pfc[i-1]和pfc[i]之間的連線*/
}
pfc[total_pf-1].next=NUL;pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;
freepf_head=&pfc[0]; /*頁面佇列的頭指針為pfc[0]*/
}
/*說明：本程式在Linux的gcc下和c-free下編譯運行通過*/
