虚拟存储管理

页面替换策略

当发生缺页异常时，如果已无空闲页框，系统要选择一个驻留页面进行淘汰

全局页面替换策略

全局页面替换策略假设所有的驻留页面都可作为置换对象，而不考虑页面所属进程

最佳页面替换算法（Optimal，OPT）

  • 当要调入一页而必须淘汰旧页时，淘汰以后不再访问的页，或距现在最长时间后才访问的页。
  • 页面引用无法预知，所以不能实际应用
  • 可作为具体算法的衡量标准

先进先出页面替换算法（First In First Out，FIFO）

  • 总是淘汰最先调入内存的页面
  • 系统中设置一张有 \(m\) 个元素的页号表，以 \(k\) 指示在内存中驻留时间最长的页面，淘汰时 \(P[k] = 新页的页号\)，\(k = (k + 1)\ mod\ m\)
  • Belady 异常：增加物理页框数会导致更多的缺页异常

改进的先进先出页面替换算法：页面缓冲算法

  • 维护两个 FIFO 队列：修改页面队列和非修改（空闲）页面队列
  • 当发生缺页中断时，按照 FIFO 选出淘汰页，并不立即抛弃它，而是根据其内容是否被修改过选择进入两个队列之一，需要装入的页面被读进非修改队列队首所指向的页框，对于修改页面队列，成批地将其写回，并将空闲页框加入非修改页面队列
  • 便于被淘汰页的快速找回

最近最少使用（Least Recently Used，LRU）页面替换算法

  • 基于局部性原理，淘汰最近一段时间最久未被访问的页
  • 维护一个页面淘汰队列，队尾总是最近访问的页，队头总是最近最少使用的页
  • 关键是确定页面最后访问以来所经历的时间
引用位法（最近未使用页面替换算法，Not Recently Used，NRU）

为每页设置一个引用位，每次访问某页时，将其引用位置 1，间隔时间 t 周期性地将所有页的引用位置 0；淘汰时从引用位为 0 的页面中挑选页面进行淘汰，选中要淘汰的页面后，将其他页面的引用位置 0。通常将 t 设为一个或数个时钟中断周期。

计数法（最不常用页面替换算法，Not Frequently Used，NFU）

当页面被引用时，页引用计数器自动计数，每隔时间 t 将所有页的引用计数清除，页引用计数值最小的页面就是最不经常使用的页

记时法

为每页设置一个记时单元，每当页面被引用时，把当前绝对时间置入记时单元，每隔时间 t 将所有记时单元清除，值最小的页面就是最久未使用的页面

老化算法（Aging）

为每个页设置一个多位寄存器 r，当页面被访问时，对应寄存器最左边的位置 1，每隔时间 t 将寄存器 r 右移 1 位，寄存器 r 值最小的页面就是最久未使用的页面

第二次机会页面（Second Chance Replacement，SCR）替换算法

首先检查 FIFO 队列的队头，如果引用位为 0，表明其最近未被使用，则淘汰；如果引用位为 1，表明其虽然较早进入内存，但最近仍在使用，所以则将其引用位置 0 后移至队尾

时钟（Clock Policy Replacement）页面替换算法

与 SCR 算法本质上没有区别，只是减少了出队入队的次数

改进的时钟页面替换算法
  1. 选择最佳淘汰页面。从指针当前位置开始扫描循环队列，扫描过程中不改变引用位，把遇到的第一个 \(r = 0\)，\(m = 0\)
  2. 如果 1 失败，则再次从原位置开始，查找 \(r = 0\)，\(m = 1\)
  3. 如果 2 失败，指针再次回到起始位置，此时由于所有的页面的引用位均为 0，再转向 1 或 2 操作，一定可以找出一个可淘汰的页面

局部页面替换策略

局部集的转换。并且当某个给定的进程产生缺页异常时，不允许通过缩小其他进程的驻留页面集来解决问题。

局部最佳页面（Local Minimum Replacement，MIN）替换算法

  • 无论发生缺页与否，每一步都要考虑引用串，如果此页面在时间间隔 \([t, t + \tau]\) 内未被再次引用，那么就移出；否则，此页面被保留在进程的驻留集中，直到再次被引用。其中，时间间隔 \([t, t + \tau]\) 称为滑动窗口，其大小为 \(\tau + 1\)
  • 需要预知引用串，不能实际应用

工作集模型和工作集（Working Set Replacement，WS）置换算法

  • 基于程序局部性原理，考察历史页面引用情况
  • 用 \(W(t, \Delta)\) 表示在时刻 \(t - \Delta\) 到时刻 \(t\) 之间所访问的页面集合，即进程在时刻 \(t\) 的工作集，变量 \(\Delta\)

模拟工作集替换算法

  • 工作集策略监督驻留页面变化的开销很大，同时难以确定 \(\Delta\)。
  • 为每个页面设置引用位及关联的时间戳，通过超时中断，每隔若干条指令就周期性地检查引用位及时间戳，当发现引用位为 1 时，将其置 0 并将这次改变的时间作为时间戳记录下来；当发现引用位为 0 时，通过系统当前时间戳减去页面时间戳，计算出上次使用以来未被再次访问的时间间隔，记作 \(t\_off\)，其值会随着超时中断的处理而不断增加，除非页面再次期间被再次引用，导致其引用位为 1（这种情况下会更新其时间戳）。如果 \(t\_off\) 大于系统时间参数 \(t\_max\)，则将页面从工作集中移出。

缺页频率（Page Fault Frequency Replacement，PFF）替换算法

  • 根据缺页之间的时间间隔对缺页频率进行测量，每次缺页时利用测量时间调整进程工作集尺寸。
  • 如果本次缺页与前次缺页之间的时间间隔超过临界值 \(\tau\)，那么将这个时间间隔内未引用的所有页面移出工作集