操作系統將內存按照頁的進行管理，在需要的時候才把進程相應的部分調入內存。當產生缺頁中斷時，需要選擇一個頁面寫入。如果要換出的頁面在內存中被修改過，變成了“臟”頁面，那就需要先寫會到磁盤。頁面置換算法，就是要選出最合適的一個頁面，使得置換的效率最高。頁面置換算法有很多，簡單介紹幾個，重點介紹比較重要的LRU及其實現算法。

一、最優頁面置換算法

最理想的狀態下，我們給頁面做個標記，挑選一個最遠才會被再次用到的頁面。當然，這樣的算法不可能實現，因為不確定一個頁面在何時會被用到。

二、最近未使用頁面置換算法（NRU）

系統為每一個頁面設置兩個標誌位：當頁面被訪問時設置R位，當頁面（修改）被寫入時設置M位。當發生缺頁中斷時，OS檢查所有的頁面，並根據它們當前的R和M位的值，分為四類：

（1）！R&！M（2）！R&M（3）R&！M（4）R&M

編號越小的類，越被優先換出。即在最近的一個時鐘滴答內，淘汰一個沒有被訪問但是已經被修改的頁面，比淘汰一個被頻繁使用但是“clean”的頁面要好。

三、先進先出頁面置換算法（FIFO）及其改進

這種算法的思想和隊列是一樣的，OS維護一個當前在內存中的所有頁面的鏈表，最新進入的頁面在尾部，最久的在頭部，每當發生缺頁中斷，就替換掉表頭的頁面並且把新調入的頁面加入到鏈表末尾。

這個算法的問題，顯然是太過於“公正了”，沒有考慮到實際的頁面使用頻率。

一種合理的改進，稱為第二次機會算法。即給每個頁面增加一個R位，每次先從鏈表頭開始查找，如果R置位，清除R位並且把該頁面節點放到鏈表結尾；如果R是0，那麽就是又老又沒用到，替換掉。

四、時鐘頁面置換算法（clock）

這種算法只是模型像時鐘，其實就是一個環形鏈表的第二次機會算法，表針指向最老的頁面。缺頁中斷時，執行相同的操作，包括檢查R位等。

五、最近最少使用頁面置換算法（LRU）

缺頁中斷發生時，置換未使用時間最長的頁面，稱為LRU（least recently used）。

LRU是可以實現的，需要維護一個包含所有頁面的鏈表，並且根據實時使用情況更新這個鏈表，代價是比較大的。

於是，需要對這個算法進行一些改進，也可以說是簡化。將每一個頁面與一個計數器關聯，每次時鐘終端，掃描所有頁面，將每個頁面的R位加到計數器上，這樣就大致跟蹤了每個頁面的使用情況。這種方法稱為NFU（not frequently used，最不常用）算法。

這樣還是存在一個問題，即很久之前的一次使用，與最近的使用權重相等。

所以，再次改進，將計數器在每次時鐘滴答時，右移一位，並把R位加在最高位上。這種算法，稱為老化（aging）算法，增加了最近使用的比重。

老化算法只能采用有限的位數，所以可能在一定程度上精度會有所損失。

六、工作集算法

簡單來說，工作集就是在最近k次內存訪問所使用過的頁面的集合。原始的工作集算法同樣代價很大，對它進行簡化：在過去Nms的北村訪問中所用到的頁面的集合。

所以，在實現的時候，可以給每個頁面一個計時器。需要置換頁面時，同實際時間進行對比，R為1，更新到現在時間；R為0，在規定閾值之外的頁面可以被置換。

同樣，這個算法也可以用時鐘的思想進行改進。

七、Linux使用的頁面置換算法

Linux區分四種不同的頁面：不可回收的、可交換的、可同步的、可丟棄的。

不可回收的：保留的和鎖定在內存中的頁面，以及內核態棧等。

可交換的：必須在回收之前寫回到交換區或者分頁磁盤分區。

可同步的：若為臟頁面，必須要先寫回。

可丟棄的：可以被立即回收的頁面。

Linux並沒有像我們之前單純討論算法時那樣，在缺頁中斷產生的時候才進行頁面回收。Linux有一個守護進程kswapd，比較每個內存區域的高低水位來檢測是否有足夠的空閑頁面來使用。每次運行時，僅有一個確定數量的頁面被回收。這個閾值是受限的，以控制I/O壓力。

每次執行回收，先回收容易的，再處理難的。回收的頁面會加入到空閑鏈表中。

算法是一種改進地LRU算法，維護兩組標記：活動/非活動和是否被引用。第一輪掃描清除引用位，如果第二輪運行確定被引用，就提升到一個不太可能回收的狀態，否則將該頁面移動到一個更可能被回收的狀態。

處於非活動列表的頁面，自從上次檢查未被引用過，因而是移除的最佳選擇。被引用但不活躍的頁面同樣會被考慮回收，是因為一些頁面是守護進程訪問的，可能很長時間不再使用。

另外，內存管理還有一個守護進程pdflush，會定期醒來，寫回臟頁面；或者可用內存下降到一定水平後被內核喚醒。

操作系統學習筆記（五） 頁面置換算法