操作系统基础39-FIFO页面置换

2021-01-04 01:25·重学IT的老猫

进程运行时，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，就需要从内存中调出一页程序或数据，送入磁盘的对换区，其中选择调出页面的算法就称为页面置换算法。

好的页面置换算法应有较低的页面更换频率，也就是说，应将以后不会再访问或者以后较长时间内不会再访问的页面先调出。

FIFO页面置换

假设有 3 个帧并且引用串为：

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

FIFO 先进先出算法是最简单的页面置换算法。简单的理解：优先淘汰最早进入内存的页面。FIFO页面置换算法为每个页面记录了调到内存的时间，当必须置换页面时会选择最旧的页面。 注意，并不需要记录调入页面的确切时间，可以创建一个 FIFO 队列，来管理所有的内存页面。置换的是队列的首个页面。当需要调入页面到内存时，就将它加到队列的尾部。 对于样例引用串，3个帧开始为空。首次的3个引用(7，0，1)会引起缺页错误，并被调到这些空帧。之后将调入这些空闲帧。 下一个引用(2)置换7，这是因为页面7最先调入。由于0是下一个引用并且已在内存中，所以这个引用不会有缺页错误。

FIFO页面置换算法

对3的首次引用导致页面0被替代，因为它现在是队列的第一个。因为这个置换，下一个对0的引用将有缺页错误，然后页面1被页面0置换。该进程按上图所示方式继续进行。每当有缺页错误时，上图显示了哪些页面在这三个帧中。总共有15次缺页错误。

FIFO页面置换算法易于理解和编程。然而，它的性能并不总是十分理想。一方面，所置换的页面可以是很久以前使用过但现已不再使用的初始化模块。另一方面，所置换的页面可以包含一个被大量使用的变量，它早就初始化了，但仍在不断使用。 注意，即使选择正在使用的一个页面来置换，一切仍然正常工作。在活动页面被置换为新页面后，几乎立即发生缺页错误，以取回活动页面。某个其他页面必须被置换，以便将活动页面调回到内存。因此，选择不当的置换会增加缺页错误率，并且减慢处理执行。然而，它不会造成执行不正确。 为了说明使用FIFO页面置换算法可能出现的问题，假设如下引用串：

1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5

下图为这个引用串的缺页错误数量与可用帧数量的曲线。4帧的缺页错误数(10)比3帧的缺页错误数(9)还要大！这个最意想不到的结果被称为Belady异常，即对于有些页面置换算法，随着分配帧数量的增加，缺页错误率可能会增加，虽然我们原本期望为一个进程提供更多的内存可以改善其性能。

一个引用串的FIFO置换的缺页错误曲线