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  • 先进先出置换算法
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    2021-05-24 23:08:07

    最简单的页面置换算法是先入先出(FIFO)法。这种算法的实质是,总是选择在主存中停留时间最长(即最老)的一页置换,即先进入内存的页,先退出内存。理由是:最早调入内存的页,其不再被使用的可能性比刚调入内存的可能性大。建立一个FIFO队列,收容所有在内存中的页。被置换页面总是在队列头上进行。当一个页面被放入内存时,就把它插在队尾上。
    这种算法只是在按线性顺序访问地址空间时才是理想的,否则效率不高。因为那些常被访问的页,往往在主存中也停留得最久,结果它们因变“老”而不得不被置换出去。
    FIFO的另一个缺点是,它有一种异常现象,即在增加存储块的情况下,反而使缺页中断率增加了。当然,导致这种异常现象的页面走向实际上是很少见的。

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  • 先进先出置换算法

    2016-01-05 15:59:28
    先进先出置换算法,当发生缺页中断时操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存,以便为即将调入的页面让出空间。
  • 如果频繁将其换进换,则会产生“抖动”现象,因此,这种算法在实际中应用很少 注意:只有FIFO算法会产生Belady异常。Belady异常——当为进程分配的物理块数增大时,缺页次数不减反增的异常现象 例子: 假设最小...
    1. 思想:总是淘汰最先进入内存的页面,即选择在内存中驻留时间最长的页面予以淘汰
    2. 优点:实现简单
    3. 缺点:算法性能差,往往与进程实际运行的规模不相符。有些页面,如存放全局变量、常用函数的页面,在整个进程的运行过程中会被频繁访问。如果频繁将其换进换出,则会产生“抖动”现象,因此,这种算法在实际中应用很少
    4. 注意:只有FIFO算法会产生Belady异常。Belady异常——当为进程分配的物理块数增大时,缺页次数不减反增的异常现象
    5. 例子

      假设最小物理块数为3块。页面引用序列如下:

      7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1

     

     缺页次数:15次                                                缺页率:15 / 20 = 75%

    解析:

    进程运行时,当进程要访问7, 0, 1三个页面时都会产生缺页中断

    按照页面访问顺序,当进程要访问页面2时,内存中没有页面2,产生缺页中断。内存中的三个页面7, 0, 1,页面7最先进入内存,所以淘汰页面7,页面2装入物理块1

    按照页面访问顺序,当进程要访问页面0时,页面0在物理块2中,不会产生缺页中断

    按照页面访问顺序,当进程要访问页面3时,内存中没有页面3,产生缺页中断。内存中的三个页面2, 0, 1,页面0最先进入内存,所以淘汰页面0,页面3装入物理块2

    按照页面访问顺序,当进程要访问页面0时,内存中没有页面0,产生缺页中断。内存中的三个页面2, 3, 1,页面1最先进入内存,所以淘汰页面1,页面0装入物理块3

    按照页面访问顺序,当进程要访问页面4时,内存中没有页面4,产生缺页中断。内存中的三个页面2, 0, 3,页面2最先进入内存,所以淘汰页面2,页面4装入物理块1

    以此类推,便可得到如图情况

    展开全文
  • 本人学生党,代码有地方比较小白,仅供参考。
  • 文章目录前言知识总览最佳置换算法(OPT)先进先出置换算法(FIFO)最近最久未使用置换算法(LRU)时钟置换算法(CLOCK)改进型的时钟置换算法知识回顾与重要考点 前言 此篇文章是我在B站学习时所做的笔记,大部分图片...

    前言

    此篇文章是我在B站学习时所做的笔记,大部分图片都是课件老师的PPT,方便复习用。此篇文章仅供学习参考。


    提示:以下是本篇文章正文内容

    知识总览

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    最佳置换算法(OPT)

    • 最佳置换算法(OPT,Optimal):每次选择淘汰的页面将是以后永不使用,或者在最长时间内不再被访问的页面,这样可以保证最低的缺页率。
    • 最佳置换算法可以保证最低的缺页率,但实际上,只有在进程执行的过程中才能知道接下来会访问到的是哪个页面。操作系统无法提前预判页面访问序列。因此,最佳置换算法是无法实现的。
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      只有内存块已经都满的情况下,才需要页面置换。因此,在刚开始访问7、0、1这三个页面的时候,虽然它们都没在内存当中,但是由于刚开始那些有空闲的内存块,所以虽然发生了缺页中断,虽然会发生掉页,但是并不会发生页面置换这件事,只有所有的内存块都已经占满之后,再发生缺页的话,那才需要进行页面置换这件事情,因此缺页中断总共发生了9次,但页面置换只发生了6次,前面那三次只是发生了缺页,并没有页面置换,那缺页率的计算也很简单,只需要将缺页中断发生的次数除以总共访问了多少次的页面,就可以得到缺页率。

    先进先出置换算法(FIFO)

    • 先进先出置换算法(FIFO):每次选择淘汰的页面最早进入内存的页面
    • 实现方法:把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列,需要换出页面时选择队头页面即可。队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块。
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    • Belady异常―一当为进程分配的物理块数增大时,缺页次数不减反增的异常现象。
    • 只有FIFO算法会产生Belady异常。另外,FIFo算法虽然实现简单,但是该算法与进程实际运行时的规律不适应,因为先进入的页面也有可能最经常被访问。因此,算法性能差

    最近最久未使用置换算法(LRU)

    • 最近最久未使用置换算法(LRU,least recently used):每次淘汰的页面最近最久未使用的页面
    • 实现方法:赋予每个页面对应的页表项中,用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t。当需要淘汰一个页面时,选择现有页面中t值最大的,即最近最久未使用的页面。

    该算法的实现需要专门的硬件支持,虽然算法性能好,但是实现困难,开销大

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    在手动做题时,若需要淘汰页面,可以逆向检查此时在内存中的几个页面号。在逆向扫描过程中最后一个出现的页号就是要淘汰的页面。

    时钟置换算法(CLOCK)

    • 最佳置换算法性能最好,但无法实现;先进先出置换算法实现简单,但算法性能差;最近最久未使用置换算法性能好,是最接近OPT算法性能的,但是实现起来需要专门的硬件支持,算法开销大。
    • 时钟置换算法是一种性能和开销较均衡的算法,又称CLOCK算法,或最近未用算法(NRU,NotRecently Used)
    • 简单的CLOCK算法实现方法:为每个页面设置一个访问位,再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时,其访问位置为1。当需要淘汰一个页面时,只需检查页的访问位。如果是0,就选择该页换出;如果是1,则将它置为0,暂不换出,继续检查下一个页面,若第一轮扫描中所有页面都是1,则将这些页面的访问位依次置为0后,再进行第二轮捆描(第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面,因此简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描)

    刚开始由于有五个空闲的内存块,所以前五个访问的这个页号13425都可以顺利地放入内存当中,只有在访问到6号页的时候,才需要考虑淘汰某个页面,那么在内存当中的13425这几个页面,会通过链接指针的方式连接成一个这样的循环队列。
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    那由于接下来要访问六号页面,但是把五个内存块都已经满了,所以需要用clock算法来选择淘汰其中的某个页面。于是会从这个循环队列的队首开始扫描,尝试找到一个访问位为零的页面,并且被扫描过的页面需要把访问为1改为0,所以在经过第一轮的扫描之后,所有的这些页面的访问位都由1置为了0。
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    在进行第二轮扫描的时候,1号页面的访问位为0,所以会选择淘汰1号页面,于是6号页会装入到1号以前占有的这个内存块当中,并且6号页的访问位会被置为1,然后这个扫描的指针指向下一个页面。
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    那接下来的访问当中会依次访问到3号和4号页面,那在访问了3号页面你们之后,3号页的访问位需要由0变为1,同样的,在访问了四号页面的时候,需要把4号页的访问位由0变为1。
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    在之后需要访问7号页,由于此时7号也没有在内存中,所以需要选择淘汰其中的某一个页面,然后把7号也放到内存中,那同样的需要从此时扫描到的这个位置依次的扫描,找到第一个访问位为0的页面,并且扫描过的那些页面的这个访问位需要由1变为0,所以3号和4号在扫描过后,访问位会变为0,
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    再扫描到2号页面的时候,我发现2号页面的访问位给本来就是0了,因此会选择淘汰2号页面,然后让7号页面放到这个位置,访问位置为1,然后这个扫描的指针再指向下一个页面的位置。
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    改进型的时钟置换算法

    简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上,如果被淘汰的页面没有被修改过,就不需要执行I/O操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时,才需要写回外存

    • 因此,除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外,操作系统还应考虑页面有没有被修改过。在其他条件都相同时,应优先淘汰没有修改过的页面,避免I/O操作。这就是改进型的时钟置换算法的思想。修改位=0,表示页面没有被修改过;修改位=1,表示页面被修改过。
    • 为方便讨论,用==(访问位,修改位)==的形式表示各页面状态。如(1,1)表示一个页面近期被访问过,且被修改过。
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    知识回顾与重要考点

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  • 先进先出置换算法(FIFO):每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面 实现方法:把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列,需要换出页面时选择队头页面即可。 队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块 ...

    先进先出置换算法(FIFO):每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面
    实现方法:把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列,需要换出页面时选择队头页面即可。
    队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块

    代码如下:

    #include <iostream>
    #include<stdlib.h>
    //#include<conio.h>
    #include<stdio.h>
    #define size 4
    using namespace std;
    typedef struct BLOCK//声明一种新类型——物理块类型
    {
           int pagenum;//页号
           int accessed;//访问字段,其值表示多久未被访问
    
    }BLOCK;
    int count;//程序计数器,用来记录指令的序号
    int n;//缺页计数器,用来记录缺页的次数
    static int temp[320];//用来存储320条随机数
    BLOCK block[size]; //定义一大小为4的物理块数组
    void init( );     //程序初始化函数
    int findExist(int curpage);//查找物理块中是否有该页面
    int findSpace( );//查找是否有空闲物理块
    int findReplace( );//查找应予置换的页面
    void display ( );//显示
    void Random( );//产生320条随机数,显示并存储到temp[320]
    void pagestring( );//显示调用的页面队列
    void FIFO( );//FIFO算法
    void init( )
    {
        block[0].pagenum = 0;
        block[1].pagenum = 1;
        block[2].pagenum = 2;
        block[3].pagenum = 3;
        for(int i=0;i<size;i++)
        {
    	    //block[i].pagenum=-1;
            block[i].accessed=0;
            count=n=0;
        }
    
    }
    int findExist(int curpage)        //查找物理块中是否有该页面
    {
    	for(int i=0; i<size; i++)
        {
    		if(block[i].pagenum == curpage )
            return i;     //检测到内存中有该页面,返回block中的位置
    	}
        return -1;
    }
    int findSpace( )   //查找是否有空闲物理块
    {
    	for(int i=0; i<size; i++)
        {
    		if(block[i].pagenum == -1)
            return i;      //找到空闲的block,返回block中的位置
    	}
    	return -1;
    }
    int findReplace( )      //查找应予置换的页面
    {
    	int pos = 0;
        for(int i=0; i<size; i++)
    	{
    		if(block[i].accessed >block[pos].accessed)
            pos = i;//找到应予置换页面,返回BLOCK中位置
    	}
        return pos;
    }
    void display( )
    {
       for(int i=0; i<size; i++)
       {
              if(block[i].pagenum != -1)      //物理块不空
              {
    			  printf(" %02d",block[i].pagenum);
    		  }
       }
       cout<<endl;
    }
    void Random()
    {
        int flag=0;
    
    		temp[0]=0;
        	temp[1]=40;
            temp[2]=10;
            temp[3]=50;
            temp[4]=20;
            temp[5]=10;
            temp[6]=30;
            temp[7]=20;
            temp[8]=0;
            temp[9]=40;
            temp[10]=60;
            temp[11]=60;
    
    }
    void pagestring( )  //显示调用的页面队列
    {
    	for(int i=0;i<12;i++)
        {
    		printf(" %02d",temp[i]/10);
            if((i+1)%10==0) cout<<endl;
    	}
    }
    
    //--------------- 先进先出算法
    void FIFO( )
    {
        int exist,space,position ;
        int curpage;
        for(int i=0;i<12;i++)
        {
    		//if(i%100==0) getch( );                //getch直接从键盘获取键值
            count=temp[i];
            curpage=count/10;
            exist = findExist(curpage);            //查找物理块中是否有该页面
            if(exist==-1)
    		{
    			space = findSpace( );              //查找是否有空闲物理块
                if(space != -1)                 //有空闲物理块
                {
    				block[space].pagenum = curpage;
                    display( );
                    n=n+1;
                }
                else           //无空闲物理块,则寻找置换页面
    			{
                    position = findReplace( );          //查找应予置换的页面
                    block[position].pagenum = curpage;
                    display( );
                    n++;
                    block[position].accessed--;          //置换页面所在的物理块中访问标记设为-1
                }
            }
    		else//若存在该页
    		{
    			for(int i=0; i<size; i++)
    			{  if(block[i].pagenum != -1)         //物理块不空
    			printf(" %02d ",block[i].pagenum);
    			}
    			cout<<"The instruction already exists! Its physical block address is:"<<&block[exist]<<endl;
    		}
    		for(int j=0; j<size; j++)
    		block[j].accessed++;
    	}
        cout<<"Page faults:"<<n<<endl;
        cout<<"Page fault rate:"<<(n/12.0)*100<<"%"<<endl;
    }
    int main( )
    {
        Random( );
        init();
        cout<<"Call page queue"<<endl;
        pagestring( );
        cout<<endl<<"    Begin execution"<<endl;
        FIFO();
        getchar();
        return 0;
    }
    
    

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先进先出置换算法

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