操作系统第四章4剖析

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F
缺页 F 标志
F
F
缺页15次，总访问次数20次，缺页率15/20＝75％
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5.3.2 最近最久未使用(LRU)置换算法
1. LRU(Least Recently Used)置换算法
算法：最近最久未使用置换算以“最近的过去”作为“不久
将来”的近似，选择最近一段时间内最久没有使用的页面淘汰 掉。它的实质是：当需要置换一页时，选择在最近一段时间里 最久没有使用过的页面予以淘汰 。
间间隔右移一位，则具有最小数值的寄存 器所对应的页面，就是最近最久未使用的 页面。
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实页
t0
R7 0 1 R7 0 0 R7 0 0 R7 1 0
第四章
存储器管理
赵恒 主讲
§5.3 页面置换算法
定义：
在进程运行过程中，若其访问的页面不在内存 而需将其调入，但内存已无空闲空间时，需从 内存中调出一页程序或数据，送入磁盘的对换 区。但应将哪个页面调出，需根据一定的算法 来确定。把选择换出页面的算法称为页面置换 算法，其好坏直接影响系统的性能。 一个好的置换算法应具有较低的页面更换频率。 从理论上讲，应将那些以后不会再访问的页面 换出，或者把那些在较长时间内不会再访问的 页面换出。
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（2）实现：已调入内存的页面，按先后次序链接成一队列。 （3）依据: 先进入的可能已经使用完毕。 （4） 随着物理块数的增多缺页率增大！（Belady现象） Belady异常现象：一般而言，分配给进程的物理块越多，运 行时的缺页次数应该越少。但是Belady在1969年发现了一个 反例，使用FIFO算法时，四个物理块时的缺页次数比三个物 理块时的多，这种反常的现象称为Belady异常。
缺页 F 标志
F
F
缺页9次，总访问次数20次，缺页率9/20＝45％ 6
2. 先进先出(FIFO) （1）原理：该算法总是淘汰最先进入内存的页面， 即选择 在内存中的驻留时间最久的页面予以淘汰 。
该算法实现简单，只需把一个进程已调入内存的
页面，按先后次序链接成一个队列，并设置一个 指针，称为替换指针，使它总是指向最老页面。
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抖动（颤动）现象（Thrashing） 请求页式存储管理系统中，若页面置换算法 不当，可能会导致下面的情形：刚被调出得 页面，不久又要访问，因此要调入，调入后 不久又被淘汰，再访问再调入，如此反复， 整个系统的页面置换十分频繁，CPU时间主 要花费在页面的交换上。这种导致系统效率 急剧下降的现象称为抖动现象。 缺页中断率过高
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§5.3 页面置换算法
页面置换的过程
（1）找出所需页面在磁盘上的
位置； （2）找出可用空闲内存块。如 果有，就立即使用，否则，就 进行页面置换，选择一个老的
页面置换到外存磁盘。
（3）将所需页面装入内存，修 改相应的数据结构。 （4）继续执行用户进程。
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§5.3 页面置换算法
1. 最佳(Optimal)置换算法
其它算法优劣的一个标准。 ⑴ 算法：淘汰永不使用的或是在最长时间内不再被访问的页。 ⑵ 通常可保证获得最低的缺页率。 ⑶ 无实现价值，作为其它算法的衡量标准。 5
1.最佳(Optimal)置换算法
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。
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LRU的实现：
把LRU算法作为页面置换算法是比较好的，它对于各种类型 的程序都能适用，但实现起来有相当大的难度，因为它要求 系统具有较多的支持硬件。所要解决的问题有： 一个进程在内存中的各个页面各有多久时间未被进程访问； 如何快速地知道哪一页最近最久未使用的页面。 为此，须利用以下两类支持硬件： 1．移位寄存器：定时右移。
引用 序列 7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1
7 7 0 7 0 1 2 0 1 F 2 0 1 2 0 3 F 2 0 3 2 4 3 F 2 4 3 2 4 3 2 0 3 F 2 0 3 2 0 3 2 0 1 F 2 0 1 2 0 1 2 0 1 7 0 1 F 7 0 1 7 0 1
引用 序列 7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1
7 7 0 7 0 2 0 2 0 2 3 2 3 4 3 4 2 4 2 0 2 0 2 0 2 0 1 0 1 0 1 0 1 7 1 7 0 7 0
1
1
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1
1
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0
F
0
F
0
F
3
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3
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3
3
3
F
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2
2
2
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2
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2．栈：当进程访问某页时，将其移出压入“栈顶”，“栈底” 换出。
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最近最久未使用（LRU）置换算法
LRU置换算法的硬件支持 寄存器 为了记录某进程在内存中各页的使用情况， 须为每个在内存中的页面配置一个移位寄 存器，可表示为 R=Rn-1Rn-2Rn-3 … R2R1R0
访问时将Rn-1位置成1，定时信号每隔一时
最佳置换算法（OPT，Optimal）：最佳置换算法置换那些以 后永不再使用的或者在最长的时间以后才会用到的页面。显 然，这种算法的缺页率最低。然而，该算法只是一种理论上 的算法，因为很难估计哪一个页面是以后永远不再使用或在 最长时间以后才会用到的页面，所以，这种算法是不能实现
的。尽管如此，该算法仍然是有意义的，可以把它作为衡量
举例：设进程有5页，访问顺序：0，1，2，3，0，1，4，0， 1，2，3，4， 分3块物理块和4块物理块时。
内存3个物理块： 内存4个物理块：
缺页率=9/12 缺页率=10/12
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2.先进先出(FIFO)页面置换算法
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。
引用 序列 7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1
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7
0
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0 1 F
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0 1 F
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0 1
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0 3 F
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0Biblioteka Baidu3
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0 3 F
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0 2 F
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3 2 F
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3 2 F
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3 2
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3 2
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3 2 F
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3 2
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0 2 F
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0 2
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0 7 F
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0 7
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0 7
缺页 F 标志
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缺页12次，总访问次数20次，缺页率12/20＝60％