在地址映射過程中，若在頁面中發(fā)現(xiàn)所要訪問的頁面不在內(nèi)存中，則產(chǎn)生缺頁中斷。當發(fā)生缺頁中斷時，如果操作系統(tǒng)內(nèi)存中沒有空閑頁面，則操作系統(tǒng)必須在內(nèi)存選擇一個頁面將其移出內(nèi)存，以便為即將調(diào)入的頁面讓出空間。而用來選擇淘汰哪一頁的規(guī)則叫做頁面置換算法。?

常見的置換算法

最佳置換算法（OPT）

這是一種理想情況下的頁面置換算法，但實際上是不可能實現(xiàn)的。該算法的基本思想是：發(fā)生缺頁時，有些頁面在內(nèi)存中，其中有一頁將很快被訪問（也包含緊接著的下一條指令的那頁），而其他頁面則可能要到10、100或者1000條指令后才會被訪問，每個頁面都可 [1]? 以用在該頁面首次被訪問前所要執(zhí)行的指令數(shù)進行標記。最佳頁面置換算法只是簡單地規(guī)定：標記最大的頁應該被置換。這個算法唯一的一個問題就是它無法實現(xiàn)。當缺頁發(fā)生時，操作系統(tǒng)無法知道各個頁面下一次是在什么時候被訪問。雖然這個算法不可能實現(xiàn)，但是最佳頁面置換算法可以用于對可實現(xiàn)算法的性能進行衡量比較。?

先進先出置換算法（FIFO）

最簡單的頁面置換算法是先入先出（FIFO）法。這種算法的實質(zhì)是，總是選擇在主存中停留時間最長（即最老）的一頁置換，即先進入內(nèi)存的頁，先退出內(nèi)存。理由是：最早調(diào)入內(nèi)存的頁，其不再被使用的可能性比剛調(diào)入內(nèi)存的可能性大。建立一個FIFO隊列，收容所有在內(nèi)存中的頁。被置換頁面總是在隊列頭上進行。當一個頁面被放入內(nèi)存時，就把它插在隊尾上。?

這種算法只是在按線性順序訪問地址空間 [1]? 時才是理想的，否則效率不高。因為那些常被訪問的頁，往往在主存中也停留得最久，結果它們因變“老”而不得不被置換出去。

FIFO的另一個缺點是，它有一種異?，F(xiàn)象，即在增加存儲塊的情況下，反而使缺頁中斷率增加了。當然，導致這種異?，F(xiàn)象的頁面走向?qū)嶋H上是很少見的。

最近最久未使用（LRU）算法

FIFO算法和OPT算法之間的主要差別是，F(xiàn)IFO算法利用頁面進入內(nèi)存后的時間長短作為置換依據(jù)，而OPT算法的依據(jù)是將來使用頁面的時間。如果以最近的過去作為不久將來的近似，那么就可以把過去最長一段時間里不曾被使用的頁面置換掉。它的實質(zhì)是，當需要置換一頁時，選擇在之前一段時間里最久沒有使用過的頁面予以置換。這種算法就稱為最久未使用算法（Least Recently Used，LRU）。?

LRU算法是與每個頁面最后使用的時間有關的。當必須置換一個頁面時，LRU算法選擇過去一段時間里最久未被使用的頁面。

LRU算法是經(jīng)常采用的頁面置換算法，并被認為是相當好的，但是存在如何實現(xiàn)它的問題。

LRU算法需要實際硬件的支持。

其問題是怎么確定最后使用時間的順序，對此有兩種可行的辦法：?

1.計數(shù)器。

最簡單的情況是使每個頁表項對應一個使用時間字段，并給CPU增加一個邏輯時鐘或計數(shù)器。每次存儲訪問，該時鐘都加1。每當訪問一個頁面時，時鐘寄存器的內(nèi)容就被復制到相應頁表項的使用時間字段中。這樣我們就可以始終保留著每個頁面最后訪問的“時間”。在置換頁面時，選擇該時間值最小的頁面。這樣做， 不僅要查頁表，而且當頁表改變時（因CPU調(diào)度）要維護這個頁表中的時間，還要考慮到時鐘值溢出的問題。

2.棧。

用一個棧保留頁號。每當訪問一個頁面時，就把它從棧中取出放在棧頂上。這樣一來，棧頂總是放有目前使用最多的頁，而棧底放著目前最少使用的頁。由于要從棧的中間移走一項，所以要用具有頭尾指針的雙向鏈連起來。在最壞的情況下，移走一頁并把它放在棧頂上需要改動6個指針。每次修改都要有開銷，但需要置換哪個頁面卻可直接得到，用不著查找，因為尾指針指向棧底，其中有被置換頁。?

因?qū)崿F(xiàn)LRU算法必須有大量硬件支持，還需要一定的軟件開銷。所以實際實現(xiàn)的都是一種簡單有效的LRU近似算法。?

一種LRU近似算法是最近未使用算法（Not Recently Used，NUR）。

它在存儲分塊表的每一表項中增加一個引用位，操作系統(tǒng)定期地將它們置為0。當某一頁被訪問時，由硬件將該位置1。過一段時間后，通過檢查這些位可以確定哪些頁使用過，哪些頁自上次置0后還未使用過。就可把該位是0的頁淘汰出去，因為在之前最近一段時間里它未被訪問過。?

4）Clock置換算法（LRU算法的近似實現(xiàn)）?

5）最少使用（LFU）置換算法

在采用最少使用置換算法時，應為在內(nèi)存中的每個頁面設置一個移位寄存器，用來記錄該頁面被訪問的頻率。該置換算法選擇在之前時期使用最少的頁面作為淘汰頁。

由于存儲器具有較高的訪問速度，例如100 ns，在1 ms時間內(nèi)可能對某頁面連續(xù)訪問成千上萬次，因此，通常不能直接利用計數(shù)器來記錄某頁被訪問的次數(shù)，而是采用移位寄存器方式。每次訪問某頁時，便將該移位寄存器的最高位置1，再每隔一定時間(例如100 ns)右移一次。這樣，在最近一段時間使用最少的頁面將是∑Ri最小的頁。

LFU置換算法的頁面訪問圖與LRU置換算法的訪問圖完全相同；或者說，利用這樣一套硬件既可實現(xiàn)LRU算法，又可實現(xiàn)LFU算法。應該指出，LFU算法并不能真正反映出頁面的使用情況，因為在每一時間間隔內(nèi)，只是用寄存器的一位來記錄頁的使用情況，因此，訪問一次和訪問10 000次是等效的。

6）工作集算法

7）工作集時鐘算法

8）老化算法（非常類似LRU的有效算法）

9）NRU(最近未使用）算法

10）第二次機會算法

第二次機會算法的基本思想是與FIFO相同的，但是有所改進，避免把經(jīng)常使用的頁面置換出去。當選擇置換頁面時，檢查它的訪問位。如果是0，就淘汰這頁；如果訪問位是1，就給它第二次機會，并選擇下一個FIFO頁面。當一個頁面得到第二次機會時，它的訪問位就清為0，它的到達時間就置為當前時間。如果該頁在此期間被訪問過，則訪問位置1。這樣給了第二次機會的頁面將不被淘汰，直至所有其他頁面被淘汰過（或者也給了第二次機會）。因此，如果一個頁面經(jīng)常使用，它的訪問位總保持為1，它就從來不會被淘汰出去。

第二次機會算法可視為一個環(huán)形隊列。用一個指針指示哪一頁是下面要淘汰的。當需要一個存儲塊時，指針就前進，直至找到訪問位是0的頁。隨著指針的前進，把訪問位就清為0。在最壞的情況下，所有的訪問位都是1，指針要通過整個隊列一周，每個頁都給第二次機會。這時就退化成FIFO算法了。?

以上是頁面置換算法是什么的詳細內(nèi)容。更多信息請關注PHP中文網(wǎng)其他相關文章！