模拟请求分页式存储管理 ---4种置换算法

请求调页+页面置换

1.虚拟存储系统

操作系统中，为了提高内存利用率，提供了内外存进程对换机制；内存空间的分配和回收均以页为单位进行；一个进程只需将其一部分（段或页）调入内存便可运行；还支持请求调页的存储管理方式。

当进程在运行中需要访问某部分程序和数据时，发现其所在页面不在内存，就立即提出请求（向CPU发出缺中断），由系统将其所需页面调入内存。这种页面调入方式叫请求调页。

 

2. 页面置换过程

当CPU接收到缺页中断信号，中断处理程序先保存现场，分析中断原因，转入缺页中断处理程序。该程序通过查找页表，得到该页所在外存的物理块号。如果此时内存未满，能容纳新页，则启动磁盘I/O将所缺之页调入内存，然后修改页表。如果内存已满，则须按某种置换算法从内存中选出一页准备换出，是否重新写盘由页表的修改位决定，然后将缺页调入，修改页表。利用修改后的页表，去形成所要访问数据的物理地址，再去访问内存数据。整个页面的调入过程对用户是透明的。

 

(1)   页表：放在系统空间的页表区，存放逻辑页与物理页帧的对应关系。 每一个进程都拥有一个自己的页表，PCB表中有指针指向页表。

(2)   页框：RAM块，来描述物理内存空间，由操作系统实现从逻辑页到物理页框的页面映射，同时负责对所有页的管理和进程运行的控制。模拟时对于页框的分配数量自主设定。

(3)   访问位：不论是读还是写（get or set），系统都会设置该页的访问位，记录本页在一段时间内被访问的次数，或最近已有多长时间未被访问，它的值用来帮助操作系统在发生缺页中断时选择要被淘汰的页，即用于页面置换。

(4)   修改位（脏位）：用于页面的换出，如果某个页面被修改过（即为脏），在淘汰该页时，必须将其写回磁盘，反之，可以直接丢弃该页。

(5) 有效位（驻留位、中断位）：表示该页是内存还是磁盘。

(6) 保护位：存取控制位，用于指出该页允许什么类型的访问，如果用一位来标识的话：1表示只读，0表示读写。

 

1.LRU

least recently used 最近时间内 最久未被使用的页面被置换

如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么在将来它被访问的可能性也很小,拿“最近的过去”预测“最近的未来”。

LRU算法的硬件支持

LRU算法虽然是一种比较好的算法，但是要求系统有较多的支持硬件。为了了解一个进程在内存中的各个页面各有多少时间未被进程访问，以及如何快速得知道哪一页是最近最久未使用的页面，须有寄存器和栈两类硬件之一的支持。 
1）寄存器 
为了记录某进程在内存中各页的使用情况，须为每个内存中的页面配置一个移位寄存器，可表示为 

R=Rn−1Rn−2⋅⋅⋅R2R1R0

当进程访问某物理块时，要将相应的寄存器的Rn−1位置成1。此时，定时信号将每隔一定时间将寄存器右移一位。如果我们把n位寄存器的数看作是一个整数，那么，具有最小数值的寄存器所对应的页面，就是最近最久未使用的页面。 （e.g. 每100ms右移一位，最高位补0还是补1的问题）
2）栈 
可利用一个特殊的栈保持当前使用的各个页面的页面号。每当进程访问某页面是，便将该页面的页面号从栈中移出，将它压入栈顶。因此，栈顶始终是最近最久未使用页面的页面号。

模拟实现2：

采用双向链表+heapmap配合实现，靠近链表头部的越是最近访问过得，链表尾部是最久未被访问的，从而体现使用的时间顺序，heapmap记录表项地址。

过程：

要操作页面K

       未在内存 1.内存未满->直接插入链表头部，记录地址

                       2.内存已满->先删除链表尾部节点,再插入新节点到链表头部,并且更新map中增加该节点

       已在内存：更新节点的值，把当前访问的节点移到链表头部,并且更新map中该节点的地址。

class LRUBlock{
public:
    LRUBlock(int capacity) {
        size = capacity;
    }

    /**
        操作页面k
    */
    void set(int blockId,int k) {
        ///未在内存
        if(blockMap.find(k) == blockMap.end())
        {
            if(blockList.size() == size)
            {///删除链表尾部节点（最少访问的节点）
                blockMap.erase(blockList.back().pageId);
                blockList.pop_back();
            }
            ///插入新节点到链表头部,并且更新map中增加该节点
            blockList.push_front(BlockNode(blockId,k));
            blockMap[k] = blockList.begin();
        }
        ///已在内存
        else
        {
            ///更新节点的值，把当前访问的节点移到链表头部,并且更新map中该节点的地址
            blockList.splice(blockList.begin(), blockList, blockMap[k]);
            blockMap[k] = blockList.begin();
        }
    }
    list<BlockNode> getList()
    {
        return this->blockList;
    }
private:
    list<BlockNode> blockList;
    unordered_map<int, list<BlockNode>::iterator> blockMap;///记录结点地址
    int size;
};

void LRU(LRUBlock&lru,int address,map<int,TableEntry>&pageTable,map<int,int>&memoryBlock)
{
    int pageNum=address/unitBlockSize;
    if(pageTable[pageNum].entryStatus==1){
        cout<<"页面已在内存中
";
        lru.set(pageTable[pageNum].blockId,pageNum);
    }
    else
    {
        int s=memoryBlock.size();
        if(memoryBlock[s-1]==1){///直接分
            cout<<"所分配内存块还未用完
";
            int i=s-1;
            for(;i>=0;i--){
                if(memoryBlock[i]==0)break;
            }
            memoryBlock[i+1]=0;
            pageTable[pageNum].entryStatus=1;
            pageTable[pageNum].blockId=i+1;
            lru.set(i+1,pageNum);
        }
        else///先swap再分
        {
            cout<<"所分配内存块全被占用，需要置换操作
";
            BlockNode blockNode=lru.getList().back();
            cout<<"置换出"<<blockNode.pageId<<"	置换入"<<pageNum<<endl;
            ///抢
            pageTable[blockNode.pageId].entryStatus=0;
            pageTable[blockNode.pageId].blockId=-1;

            pageTable[pageNum].entryStatus=1;
            pageTable[pageNum].blockId=blockNode.blockId;

            lru.set(blockNode.blockId,pageNum);
        }
        pageBreak++;
    }
    total++;
}

2.LFU：

least frequently used 最少使用置换

如果一个数据在最近一段时间内使用次数很少，那么在将来一段时间内被使用的可能性也很小，LRU的淘汰规则是基于访问时间，而LFU是基于访问次数的。

注意：

一般情况下，LFU效率要优于LRU，且能够避免周期性或者偶发性的操作导致缓存命中率下降的问题。但LFU需要记录数据的历史访问记录，一旦数据访问模式改变，LFU需要更长时间来适用新的访问模式，即：LFU存在历史数据影响将来数据的“缓存污染”效用。

实现：

用数组存储内存中表项情况，通过遍历查找最小值。

过程：

要操作页面K

       未在内存 1.内存未满：更新页表，表项放入数组。

                       2.内存已满：更新页表，数组删除要淘汰的表项，加入新表项。

       已在内存：更新页表，表项重新放入数组。

3.FIFO

first in first out 最早出现置换

队列实现

过程：

已在内存：none

不在内存：

　　内存未满：表项加入队尾

　　内存已满：pop队首，新表项加入队尾

4.CLOCK

NRU---Not Recently Used

用数组存储内存中表项情况，修改数组中表项访问情况选择置出页面。

置换策略：依次访问数组中的表项，遇到status=1的置为0，再给一次驻留内存的机会，遇到status=0的换出。

过程：

已在内存：none

不在内存：

　　内存未满：表项加入数组

　　内存已满：拿新来表项替换置出表项