《操作系统 - 清华大学》6 -7:局部页面置换算法:Belady现象

文章目录

  • [1. 定义](#1. 定义)
  • [2. LRU、FIFO和Clock的比较](#2. LRU、FIFO和Clock的比较)

1. 定义

局部页面置换算法的特点是针对一个正在运行的程序,它访问内存的情况,访问页的情况,来决定应该采取什么样策略,把相应的页替换出去,站在算法本身角度来考虑置换哪个页。

Belady现象是比较异常现象,当给运行程序分配的物理业越多,按道理来说它产生缺页次数应该越少,但是如果采取某些页面置换算法之后,会发现出现相反的情况,给它分配的物理页越多,产生缺页的次数反而也跟着增加。

  • FIFO 算法就是这么一种算法,在给它增加更多的物理页之后,并没有说缺页次数减少,反而缺页次数增加了,什么原因?

    原因在于 FIFO 算法并没有考虑程序访问内存的动态特征,算法本身的替换策略和访问内存的动态特征是矛盾的,目标是不一致的,替换的页面并不是当前程序不会访问的页面。

    FIFO算法的Belady现象:

    增加物业帧,从3变成4,但是在同样访问序列下,它的缺页次数从9变成10,这不是我们预期的,给它更多的物理资源,给它更多的物理业,结果它产生缺页次数更加多了,期望是少。

  • 那怎么来解决这个现象?

    在看另一种 LRU 算法:

    同样的访问序列,LRU 算法 分三个物业页帧,会产生十次缺页错误,但是如果给它分4个物理页帧,它只会产生8次缺页错误。这是符合预期的,给他物理资源越多,缺页错误次数就越少。

  • 那为什么 LRU 算法会比 FIFO 算法在这方面要做得更好呢?

    LRU 算法符合栈算法的特点,意味着给物业资源越多,它产生的缺页次数就越少。但是 FIFO 算法不满足栈算法特点,那么就不会产生这种现象。

2. LRU、FIFO和Clock的比较



LRU 算法和 FIFO算法在处理过程中都可以用链表或者栈来表示驻留在内存中次序,但是 LRU 算法除了考虑驻留时间之外,还考虑最近访问时间,如果最近这个页被访问到了,会把它从列表中取出来放头上去。但是 FIFO 没有这个过程,那这也就是 FIFO 和 LRU 很重的区别。如果程序具有局部性特点,LRU算法就可以更好适应局部性特点,产生更少的缺页次数。

但是换个角来说,缺页次数不光是算法本身的问题,还和程序本身特点相关,如果程序没有局部性特征,那其实 LRU 算法和 FIFO 算法最后的结果有可能一样,就是 LRU 可能会退化为 FIFO 算法。

而 Clock 算法其实是对 LRU 算法的近似。因为 Clock 算法只用一个 bit 或者两个 bit来表示访问时间,很明显一两个 bit 不可能精确地表示出一段时间内不同的页面访问先后顺序,只是近似,所以本质上Clock算法也是一种类似于 LRU 算法的一种算法,它使用一些硬件的bit,来模拟访问时间先后顺序,所以它可以有效地去逼近或者模拟 LRU 算法,而且它的开销也还很小,这是 Clock 算法的特点。

在某种不具有局部性的页面访问序列下,LRU 会退化为 FIFO,那 Clock算法也可能会退化为 FIFO 算法,其实可以看出来,如果要有效减少缺页次数,除了算法之外,还对本身访问序列有一定要求,最好是具有局部性访问特征,那么 LRU算法 Clock 算法才能发挥效果。如果算法本身不具有局部性,那么 LRU FIFO Clock 就没什么区别了。

另一方面 LRU 算法开销比较大,FIFO 算法开销小,但是它的效率并不好,所以折中Clock算法, Clock 算法本质上也是 FIFO 算法,但是在 FIFO 算法基础上增加了对页面访问时间的记录,但不是精准记录,而是粗略记录,根据 access bit 或者 dirty bit 来记录这个页的访问情况,开销比较小,效果又接近 LRU,所以说它是更加实际,相对来说比 LRU 和 FIFO 都要好。

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