【操作系统】抖动、缺页中断率、页面置换算法

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缺页中断率

对于进程P的一个长度为A的页面访问序列,如果进程P在运行中发生缺页中断的次数为F,则f = F/A称为缺页中断率。

影响缺页中断率的因素

1、进程分得的主存页框数:页框数多则缺页中断率低,页框数少则缺页中断率高。
2、页面大小:页面大则缺页中断率低,页面小则缺页中断率高。
3、页面替换算法的优劣决定缺页率。
4、程序特性:程序局部性好,则缺页中断率低;否则缺页中断率高。

抖动(颠簸)

在请求分页虚拟存储管理系统中,刚被淘汰的页面立即又要访问,而调入不久即被淘汰,淘汰不久再被调入,如此反复,使得系统的页面调度非常频繁,以致大部分时间消耗在页面调度上,而不是执行计算任务,这种现象称为“抖动”(或者“颠簸”)。

页面置换算法

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1、最佳页面淘汰算法(OPT)

调入一页而必须淘汰一个旧页时,所淘汰的页是以后不再访问的页或距现在最长时间后再访问的页。
OPT可用于衡量各种具体算法的标准。

例:
某程序在内存中分配三个页框,初始为空,页面走向为4,3,2,1,4,3,5,4,3,2,1,5。用最佳页面淘汰算法分析页面置换过程。
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缺页中断率=7/12=58.3%

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。

2、先进先出页面淘汰算法(FIFO)

先进先出页面淘汰算法总是淘汰最先调入主存的那一页,或者说在主存中驻留时间最长的那一页(常驻的除外)。

例:
某程序在内存中分配三个页框,初始为空,页面走向为4,3,2,1,4,3,5,4,3,2,1,5。用先进先出页面淘汰算法分析页面置换过程。
缺页中断次数怎么算,操作系统原理,linux
缺页中断率=9/12=75%
缺页中断次数怎么算,操作系统原理,linux
缺页中断率=10/12=83.33%

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。

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。

页缓冲技术:
FIFO替换算法的一种改进,策略如下: 淘汰了的页面进入两个队列——修改页面和非修改页面队列
修改页面队列中的页不时地成批写出并加入到非修改页面队列;
非修改页面队列中的页面被再次引用时回收,或者淘汰掉以作替换。

3、最近最久未使用页面淘汰算法(LRU)

淘汰的页面是在最近一段时间里较久未被访问的那一页。

例:
某程序在内存中分配三个页框,初始为空,页面走向为4,3,2,1,4,3,5,4,3,2,1,5。用最近最久未使用页面淘汰算法分析页面置换过程。
缺页中断次数怎么算,操作系统原理,linux
缺页中断率=10/12=83.3%

1、最佳置换算法性能最好,但无法实现;
2、先进先出置换算法实现简单,但算法性能差;
3、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。

4、时钟置换算法(CLOCK)

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,Not Recently Used)

简单的时钟置换算法

简单的CLOCK算法实现方法:
① 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。
② 当某页被访问时,其访问位置为1。
③ 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,再进行第二轮扫描(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)。

访问位为1,表示最近访问过;
访问位为0,表示最近没访问过。

例:假设系统为某进程分配了五个内存块,并考虑到有以下页面号引用串:1,3,4,2,5,6,3,4,7

步骤:
① 将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列;
② 此时所有页访问位都是1,从队首开始扫描,经过第一轮扫描,访问位全部置为0;
③ 1号页访问位为0,淘汰1号页面,6号页装入1号页的内存块中,扫描下一个页面;
④ 扫描到3号页,访问3号页和4号页,命中页面访问位都置为1,扫描指针不变还在上一次置换页面的下一个页面3号页;
⑤ 继续从3号位开始扫描,访问位置为0,到2号页的访问位为0,淘汰2号页面,7号页装入2号页的内存块中,扫描下一个页面。

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每次发生缺页中断,扫描的位置是从上一次置换页面的下一个页面开始扫描。

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/0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。

改进的时钟置换算法

改进型的时钟置换算法的思想:
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/0操作。

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。

算法规则:
将所有可能被置换的页面排成一个循环队列
第一轮:从当前位置开始扫描到第一个(0,0)的帧用于替换,本轮扫描不修改任何标志位;
第二轮:若第一轮扫描失败,则重新扫描,查找第一个(0,1)的帧用于替换,本轮将所有扫描过的帧访问位设为0;
第三轮:若第二轮扫描失败,则重新扫描,查找第一个(0,0) 的帧用于替换,本轮扫描不修改任何标志位;
第四轮:若第三轮扫描失败,则重新扫描,查找第一个(0,1) 的帧用于替换。
由于第二轮已将所有帧的访问位设为0,因此经过第三轮、第四轮扫描一定会有一个帧被选中,因此改进型CLOCK置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描。

第一优先级:最近没访问,且没修改的页面;
第二优先级:最近没访问,但修改过的页面;
第三优先级:最近访问过,但没修改的页面;
第四优先级:最近访问过,且修改过的页面。

例:
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