操作系统16————虚拟存储器之抖动，工作集和页面置换算法

た入场券 2022-05-20 10:35 229阅读 0赞

# 操作系统16————虚拟存储器之抖动，工作集和页面置换算法 #

### 一.目录 ###

### 文章目录 ###

*  操作系统16————虚拟存储器之抖动，工作集和页面置换算法
 *   *   *  一.目录
         *  二.多道程序度与抖动
         *   *  1.抖动
             *  2.多道程序度
             *  3.产生抖动的原因
             *  4.抖动的预防方法
         *  三.工作集
         *   *  1. 工作集的引入
             *  2.工作集的特点
         *  四.页面置换算法
         *   *  1. 最佳置换算法(OPT)(理想算法)
             *  2.先进先出置换算法(FIFO)
             *  3.最近最久未使用置换算法(LRU)
             *  4.最少使用算法置换算法（LFU）
             *  5.Clock置换算法
         *  五.参考资料

### 二.多道程序度与抖动 ###

#### 1.抖动 ####

刚被淘汰出内存的页面，过后不久又要访问它，需要再次将其调入，而该页调入内存后不入又再次被淘汰出内存，然后又要访问它，如此反复，使得系统把大部分时间用在了页面的调进换出上，而几乎不能完成任何有效的工作，这种现象称为抖动

#### 2.多道程序度 ####

由于虚拟存储器系统能从逻辑上扩大内存，这时，只需装入一个进程的部分程序和数据便可开始运行，故人们希望在系统中能运行更多的进程，即增加多道程序度，以提高处理机的利用率。但处理机的实际利用率却如图：

![这里写图片描述][70]

其中横轴表示进程的数量，纵轴表示多道程序度。之所以会发生后面阶段利用率趋于0的情况，是因为在系统中已发生抖动。

#### 3.产生抖动的原因 ####

发生“抖动”的根本原因是，同时在系统中运行的进程太多，由此分配给每一个进程的物理块太少，不能满足进程正常运行的基本要求，致使每个进程在运行时，频繁地出现缺页，必须请求系统将所缺之页调入内存。这会使得在系统中排队等待页面调进/调出的进程数目增加。显然，对磁盘的有效访问时间也随之急剧增加，造成每个进程的大部分时间都用于页面的换进/换出，而几乎不能再去做任何有效的工作，从而导致发生处理机的利用率急剧下降并趋于0的情况。

#### 4.抖动的预防方法 ####

*  采取局部置换策略,即缺页时，只能在分配给自己的内存里进行置换，不允许从其他进程获取新的物理块，这样即使该进程发生抖动也不好影响其他进程。但效果不是很好，在某进程发生抖动后，他还会常去处于磁盘的io等待队列中，这会延迟其他进程区人员中断的处理时间。
 *  把工作集算法融入到处理机调度中，当调度程序发现处理机利用率低下时，它将试图从外存调入一个新作业进入内存，来改善处理机的利用率。 在融入工作集算法后，在调度程序从外存调入作业之前，必须检查每个进程在内存驻留页面是否足够多。如果都足够多，此时便可以将新作业调入内存中，反之则不调入。
 *  利用“L=S”准则调节缺页率，Denning于1980年提出了“L=S”的准则来调节多道程序度，其中L是缺页之间的平均时间，S是平均缺页服务时间，即用于置换一个页面所需的时间。如果是L远比S大，说明很少发生缺页，磁盘的能力尚未得到充分的利用；反之，如果是L比S小，则说明频繁发生缺页，缺页的速度已超过磁盘的处理能力。只有当L与S接近时，磁盘和处理机都可达到它们的最大利用率。理论和实践都已证明，利用“L=S”准则，对于调节缺页率是十分有效的。
 *  选择暂停的进程，　当多道程序度偏高时，已影响到处理机的利用率，为了防止发生“抖动”，系统必须减少多道程序的数目。 此时根据某种算法选择一个进程，暂停该进程。

### 三.工作集 ###

#### 1. 工作集的引入 ####

1968 年 Denning 提出了工作集(Working Set) 理论。  
工作集是指在某段时间间隔 ∆ 里，进程实际要访问的页面的集合。  
把进程在某段时间间隔 ∆ 里，在时间 t 的工作集记为w(t,∆)，变量 ∆ 称为工作集“窗口尺寸” 。  
对于给定的页面走向，如果 ∆ ＝ 10 次存储访问，在 t1时刻的工作集是 W(t1,10)=(1,2,5,6,7)，在 t2 时刻，工作集是 W(t2,10)=(3,4)

![这里写图片描述][70 1]

#### 2.工作集的特点 ####

*  工作集的大小是变化的。
 *  相对比较稳定的阶段和快速变化的阶段交替出现。
 *  根据局部性原理，进程会在一段时间内相对稳定在某些页面构成的工作集上。
 *  当局部性区域的位置改变时，工作集大小快速变化。
 *  当工作集窗口滑过这些页面后，工作集又稳定在一个局部性阶段。

工作集精确度与窗口尺寸 ∆ 的选择有关。如果 ∆ 太小，那么它不能表示进程的局部特征；如果 ∆ 为无穷大，那么工作集合是进程执行需要的所有页面的集合。

如果页面正在使用，它就落在工作集中；如果不再使用，它将不出现在相应的工作集中。

工作集是局部性原理的近似表示。

如果能找出一个作业的各个工作集，并求出其页面数最大者，就可估计出该进程所需的物理块数。

利用工作集模型可以进行页面置换。工作集页面置换法的基本思想：找出一个不在工作集中的页面，把它淘汰。

### 四.页面置换算法 ###

地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时，如果操作系统内存中没有空闲页面，则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。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。

#### 1. 最佳置换算法(OPT)(理想算法) ####

思想：从主存中移出永远不再需要的页面；如无这样的页面存在，则选择最长时间不需要访问的页面。于所选择的被淘汰页面将是以后永不使用的，或者是在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证获得最低的缺页率。

#### 2.先进先出置换算法(FIFO) ####

思想:：当需要淘汰一个页面时，总是选择驻留主存时间最长的页面进行淘汰，即先进入主存的页面先淘汰。其理由是：最早调入主存的页面不再被使用的可能性最大。

这种算法的实现和队列是一样，OS维护一个当前在内存中的所有页面的链表，最新进入的页面在尾部，最久的在头部，每当发生缺页中断，就替换掉表头的页面并且把新调入的页面加入到链表末尾。

一种合理的改进，称为第二次机会算法。即给每个页面增加一个R位，每次先从链表头开始查找，如果R置位，清除R位并且把该页面节点放到链表结尾；如果R是0，那么就是又老又没用到，替换掉。

#### 3.最近最久未使用置换算法(LRU) ####

思想:：当需要淘汰一个页面时，总是选择最近最久未使用的页面予以淘汰

#### 4.最少使用算法置换算法（LFU） ####

思想:：当需要淘汰一个页面时，总是选择最近最少使用的页面予以淘汰

#### 5.Clock置换算法 ####

LRU算法的性能接近于OPT,但是实现起来比较困难，且开销大；FIFO算法实现简单，但性能差。所以操作系统的设计者尝试了很多算法，试图用比较小的开销接近LRU的性能，这类算法都是CLOCK算法的变体。

简单的CLOCK算法是给每一帧关联一个附加位，称为使用位。当某一页首次装入主存时，该帧的使用位设置为1;当该页随后再被访问到时，它的使用位也被置为1。对于页替换算法，用于替换的候选帧集合看做一个循环缓冲区，并且有一个指针与之相关联。当某一页被替换时，该指针被设置成指向缓冲区中的下一帧。当需要替换一页时，操作系统扫描缓冲区，以查找使用位被置为0的一帧。每当遇到一个使用位为1的帧时，操作系统就将该位重新置为0；如果在这个过程开始时，缓冲区中所有帧的使用位均为0，则选择遇到的第一个帧替换；如果所有帧的使用位均为1,则指针在缓冲区中完整地循环一周，把所有使用位都置为0，并且停留在最初的位置上，替换该帧中的页。由于该算法循环地检查各页面的情况，故称为CLOCK算法，又称为最近未用(Not Recently Used, NRU)算法。

CLOCK算法的性能比较接近LRU，而通过增加使用的位数目，可以使得CLOCK算法更加高效。在使用位的基础上再增加一个修改位，则得到改进型的CLOCK置换算法。这样，每一帧都处于以下四种情况之一：

*  最近未被访问，也未被修改(u=0, m=0)。
 *  最近被访问，但未被修改(u=1, m=0)。
 *  最近未被访问，但被修改(u=0, m=1)。
 *  最近被访问，被修改(u=1, m=1)。

算法执行如下操作步骤：

*  从指针的当前位置开始，扫描帧缓冲区。在这次扫描过程中，对使用位不做任何修改。选择遇到的第一个帧(u=0, m=0)用于替换。
 *  如果第1)步失败，则重新扫描，查找(u=0, m=1)的帧。选择遇到的第一个这样的帧用于替换。在这个扫描过程中，对每个跳过的帧，把它的使用位设置成0。
 *  如果第2)步失败，指针将回到它的最初位置，并且集合中所有帧的使用位均为0。重复第1步，并且如果有必要，重复第2步。这样将可以找到供替换的帧。

改进型的CLOCK算法优于简单CLOCK算法之处在于替换时首选没有变化的页。由于修改过的页在被替换之前必须写回，因而这样做会节省时间。

### 五.参考资料 ###

《操作系统第四版》

[70]: /images/20220520/a8c65d76d36441d49e86e817d5fc0a26.png
[70 1]: /images/20220520/6df8849446b64a2bb7410906e58ad1e8.png