5万字、97 张图总结操作系统核心知识点 (14)

尽管上面的 LRU 算法在原则上是可以实现的,但是很少有机器能够拥有那些特殊的硬件。上面是硬件的实现方式,那么现在考虑要用软件来实现 LRU 。一种可以实现的方案是 NFU(Not Frequently Used,最不常用)算法。它需要一个软件计数器来和每个页面关联,初始化的时候是 0 。在每个时钟中断时,操作系统会浏览内存中的所有页,会将每个页面的 R 位(0 或 1)加到它的计数器上。这个计数器大体上跟踪了各个页面访问的频繁程度。当缺页异常出现时,则置换计数器值最小的页面。

只需要对 NFU 做一个简单的修改就可以让它模拟 LRU,这个修改有两个步骤

首先,在 R 位被添加进来之前先把计数器右移一位;

第二步,R 位被添加到最左边的位而不是最右边的位。

修改以后的算法称为 老化(aging) 算法,下图解释了老化算法是如何工作的。

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我们假设在第一个时钟周期内页面 0 - 5 的 R 位依次是 1,0,1,0,1,1,(也就是页面 0 是 1,页面 1 是 0,页面 2 是 1 这样类推)。也就是说,在 0 个时钟周期到 1 个时钟周期之间,0,2,4,5 都被引用了,从而把它们的 R 位设置为 1,剩下的设置为 0 。在相关的六个计数器被右移之后 R 位被添加到 左侧 ,就像上图中的 a。剩下的四列显示了接下来的四个时钟周期内的六个计数器变化。

CPU正在以某个频率前进,该频率的周期称为时钟滴答或时钟周期。一个 100Mhz 的处理器每秒将接收100,000,000个时钟滴答。

当缺页异常出现时,将置换(就是移除)计数器值最小的页面。如果一个页面在前面 4 个时钟周期内都没有被访问过,那么它的计数器应该会有四个连续的 0 ,因此它的值肯定要比前面 3 个时钟周期内都没有被访问过的页面的计数器小。

这个算法与 LRU 算法有两个重要的区别:看一下上图中的 e,第三列和第五列

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工作集时钟页面置换算法

当缺页异常发生后,需要扫描整个页表才能确定被淘汰的页面,因此基本工作集算法还是比较浪费时间的。一个对基本工作集算法的提升是基于时钟算法但是却使用工作集的信息,这种算法称为WSClock(工作集时钟)。由于它的实现简单并且具有高性能,因此在实践中被广泛应用。

与时钟算法一样,所需的数据结构是一个以页框为元素的循环列表,就像下面这样

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​ 工作集时钟页面置换算法的操作:a) 和 b) 给出 R = 1 时所发生的情形;c) 和 d) 给出 R = 0 的例子

最初的时候,该表是空的。当装入第一个页面后,把它加载到该表中。随着更多的页面的加入,它们形成一个环形结构。每个表项包含来自基本工作集算法的上次使用时间,以及 R 位(已标明)和 M 位(未标明)。

与时钟算法一样,在每个缺页异常时,首先检查指针指向的页面。如果 R 位被是设置为 1,该页面在当前时钟周期内就被使用过,那么该页面就不适合被淘汰。然后把该页面的 R 位置为 0,指针指向下一个页面,并重复该算法。该事件序列化后的状态参见图 b。

现在考虑指针指向的页面 R = 0 时会发生什么,参见图 c,如果页面的使用期限大于 t 并且页面为被访问过,那么这个页面就不会在工作集中,并且在磁盘上会有一个此页面的副本。申请重新调入一个新的页面,并把新的页面放在其中,如图 d 所示。另一方面,如果页面被修改过,就不能重新申请页面,因为这个页面在磁盘上没有有效的副本。为了避免由于调度写磁盘操作引起的进程切换,指针继续向前走,算法继续对下一个页面进行操作。毕竟,有可能存在一个老的,没有被修改过的页面可以立即使用。

原则上来说,所有的页面都有可能因为磁盘I/O 在某个时钟周期内被调度。为了降低磁盘阻塞,需要设置一个限制,即最大只允许写回 n 个页面。一旦达到该限制,就不允许调度新的写操作。

那么就有个问题,指针会绕一圈回到原点的,如果回到原点,它的起始点会发生什么?这里有两种情况:

至少调度了一次写操作

没有调度过写操作

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