操作系统原理——内存管理之页面置换算法_nru算法

页面置换算法

1. 总述

为提高内存利用率，解决内存供不应求的问题，更加合理的使用内存，人们创造了分页式内存抽象。同时有一个虚拟内存的概念，是指将内存中暂时不需要的部分写入硬盘，看上去硬盘扩展了内存的容量，所以叫做“虚拟”内存。使用虚拟内存，应用程序可以使用比实际物理内存更大的内存空间。可以认为这个更大的内存空间就在硬盘上，只有将某一部分需要被用到时，才被写入真实内存；当它暂时不再被用到时，又被写回硬盘。分页式内存管理将物理内存分为等大的小块，每块大小通常为1K、2K、4K等，称为页帧；逻辑内存（使用虚拟内存技术扩大的内存，可认为其位于硬盘上）也被分为等大的小块，称为页；且页和页帧的大小一定是一样的，它是写入真实内存和写回硬盘最小单位。

介绍另外几个概念：

使用位：每个页帧都有一个使用位，记录此页帧是否被使用。

修改位（脏位）：每个页帧都有一个脏位，记录此页帧是否被更改。调出真实内存时，被更改过的页帧要写回硬盘，未被更改过的页帧直接扔掉即可，因为硬盘上此页帧的副本仍然有效。

逻辑地址：使用虚拟内存技术扩大后的内存的地址。

物理地址：真实内存的地址。

当然，进程载入到真实内存才可以运行，而进程代码使用的是逻辑地址，所以牵扯到一个地址转换的问题，将逻辑地址转换为物理地址。逻辑地址可分为两段，前半段代表页号，后半段代表页内偏移，物理地址也可分为两段，前半段代表页帧号，后半段代表页内偏移。地址转换的方法即，将逻辑地址的页号对应为物理地址的页帧号（对应关系记录在一张表中，比如页号为5，对应到真实内存中页帧号为3），页内偏移不同变化（页和页帧的大小是一样的）。

2. 介绍页面置换算法

假设某一时刻内存页帧已经被写满了，但这时又需要将一个页写到物理内存中，就需要将原本在物理内存中的某一页换出来。如果置换不当，就会导致刚刚被换出到硬盘的页又要被写回内存，减慢系统运行的速度。页面置换算法就是考虑将哪一页换出来以获得优良性能的方法。

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。

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。

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：

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。

2.6 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

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