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页面置换算法
1 分段、分页、多级页表情况下的地址翻译流程
在进程中，我们不直接对物理地址进行操作，CPU在运行时，指定的地址要经过MMU转换后才能访问到真正的物理内存。
地址转换的过程分为两部分，分段和分页。
分段机制简单的来说是将进程的代码、数据、栈分在不同的虚拟地址段上，从而避免进程间的互相影响。分段之前的地址我们称之为逻辑地址，它有两部分组成，高位的段选择符和低位的段内偏移。在分段时先用段选择符在相应的段描述符表中找到段描述符，也就是某一个段的基地址，再加上段内偏移量就得到了对应的线性地址，线性地址也称之为虚拟地址。
而在实际的应用中，Linux为了增加可移植性并没有完整的使用分段机制，它让所有的段都指向相同的段地址范围，段的基地址都为0，这样逻辑地址和线性地址在数值上就相同了。所以，这里我们分析的重点在分页，也就是由线性地址到物理地址的转换过程。
一级页表
我们使用一个虚拟地址对应一个物理地址的方式。
为何要有页表
为了保证进程在各个页离散存储在物理块上的情况下，依旧可以正确找到对应。
由于虚拟内存中是连续的，而在物理内存中每个页都是不连续的，被离散的插在了不同地方。所以我们要有一个类似于目录的东西，来找到虚拟内存中的每一块对应到物理内存中的某一块。
也就是我给你一个虚拟地址，你就要给我一个对应的物理地址，指向某一个数据。
我们使用一个页表来存储物理内存对应的页表项。这个页表类似于一个目录。
那么我们页表共有1048576页也就是1M个条目，每个条目占4byte，里面存储的数据是物理页序号。这个物理页序号我们不需要4byte32位来存储，我们只需要其中的20位就可以了。因为只需要定位到是物理哪个页，一共有1M个页。所以20位就够了。其他位作为其他标记。
每个4byte条目对应表示物理内存中的4K内存空间。
这样页表就可以和实际物理内存映射起来了。
一个一级页表大小是4M。
一级页表寻址
给定一个虚拟地址转换成物理地址
举例：比如给定虚拟地址为0x1234，页部件就是MMU。首先虚拟地址分为两部分高20位和低12位
MMU取出0x1234的高20位，十六进制表示就是0x00001。他表示一级页表的索引，乘4并且加上一级页表的物理地址，可以定位到一级页表中的某一个PTE
从PTE中取出内容（存放的是物理地址）就是某个物理页的地址，0x9000，用它就可以定位到物理页的位置。
虚拟地址的后12位是offset，我们将物理页地址0x9000加上offset=0x234就得到最终的物理地址0x9234
二级页表
为何要有二级页表
一级页表大小位4M。多个进程占用4M也很大了。这是32位系统，如果64位系统那就是2的64次方除以10.非常大，放到内存中是不可能的。
解决方案
使用二级页表，动态创建页表项。并不需要把页表一次性都创建好。
二级页表将1M个标准页4K。平均放到1024个页表中，而不是统一放到一个页表中（1M个PTE）。这样每个二级页表就被分为1024个PTE。也表示4G的内存空间。
我们用一个页目录表来进行管理1024个二级页表。
每个页表还是4K大小。
二级页表如何节省空间
举例：
如果一个进程只使用了4M的空间。
- 如果使用一级页表， 则要使用4M + 4M = 8M
- 二级页表：首先页目录占4K，然后他会创建一个二级页表占用4K来表示这个4M。那么实际占用内存就是4M + 4k + 4k.
二级页表地址转换
虚拟地址转换为物理地址
举例：
虚拟地址0x1234567，二级页表虚拟地址分为三部分。
- 高10位用来定位页目录项，页目录物理地址是一直有的，然后+高10位乘4就得到页目录中的某个项位置（0x4*4)，取出其中的内容是：页表物理地址。
- 我们通过页表物理地址定位到某个页表。然后用VA中间10位乘4加上页表物理地址，就得到了页表中的某个PTE的位置。取出PTE内容就是某个物理页的物理地址。
- 取到的这个物理地址是某个4K页的物理地址，最后用该物理地址加上第三部分低12位offset就得到最终物理地址。
计算题：
假设页长为1KB（1024字节），逻辑地址为2500，请利用页表把逻辑地址转换成物理地址。
物理地址的计算公式为：物理地址＝块的大小（即页的大小L）* 块号f＋页内地址d代入本题解答：
页号=int(2500/1024)=2；页内位移=2500mod1024=452；假设页号2对应块号1，则物理地址为：
物理地址=1024*1+452=1476
2 虚拟内存管理中为什么会有请求调页？请求调页的过程是什么?
请求调页
我们程序都是放在磁盘中，我们CPU执行程序的时候，程序需要加载到内存中，也就是我们如何从磁盘加载可执行程序到内存。
一种选择是：在程序执行时将整个程序加载到物理内存。（这个我们在前面讲过了，加载整个程序太浪费内存了，又不一定用的到）
另一种选择是：仅在需要时才加载页面。
不用想就知道肯定选最后一种，因为程序的局限性一般最近执行的都在这附近的几个页中，等到需要的时候才加载进内存，这种技术被称为请求调页，常常用于虚拟内存系统。
请求调页的过程
步骤1： 申请空闲的物理内存页；
步骤2： 从磁盘读取缺页数据到物理内存页；
步骤3： 建立虚拟内存与物理内存页的映射关系，即修改页表，新增一条映射记录；3 调研常见的页面置换算法（FIFO、MIN、LRU、CLOCK等），并编写程序模拟LRU算法的实现
1.最佳置换算法（OPT）（理想置换算法）：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）：是最简单的页面置换算法。这种算法的基本思想是：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。
3．最近最久未使用（LRU）算法：这种算法的基本思想是：利用局部性原理，根据一个作业在执行过程中过去的页面访问历史来推测未来的行为。它认为过去一段时间里不曾被访问过的页面，在最近的将来可能也不会再被访问。所以，这种算法的实质是：当需要淘汰一个页面时，总是选择在最近一段时间内最久不用的页面予以淘汰。FIFO MIN LRU CLOCK算法实现
#include#include #include int numbers[20]={7,0,1,2, 0,3,0,4, 2,3,0,3, 2,1,2,0, 1,7,0,1};//本地数据，与课本一致，方便测试 int nums=0;//输入栈的个数，为了方便使用， int stack[20][7]={10}; void begin(); void randomnum();//用于产生随机数 void init();//初始化 void FIFO();//FIFO算法 void LRU();//LRU算法 void OPT();//最优页面置换算法（OPT） void print();//输出 int main() { begin(); FIFO(); LRU(); OPT(); return 0; } void begin()//开始菜单界面 { int i,j,k; printf("请输入页面帧的数量(1-7)："); scanf("%d",&nums); for(k=0;;k++) { printf("是否使用随机数产生输入串（0：是，1：否）"); scanf("%d",&j); if(j==0) { randomnum(); break; } else if(j==1) { break; } else { printf("请输入正确的选择！"); } } printf("页面引用串为："); for(i=0;i<20;i++) { printf("%d ",numbers[i]); } printf(""); init(); } void randomnum()//如果需要使用随机数生成输入串，调用该函数 { srand(time(0));//设置时间种子 for(int i = 0; i < 20; i++) { numbers[i] = rand() % 10;//生成区间0`9的随机页面引用串 } } void init()//用于每次初始化页面栈中内容，同时方便下面输出的处理 { int i,j; for(i=0;i<20;i++) for(j=0;j<nums;j++) stack[i][j]=10; } void print()//输出各个算法的栈的内容 { int i,j; for(i=0;i<nums;i++) { for(j=0;j<20;j++) { if(stack[j][i]==10) printf("* "); else printf("%d ",stack[j][i]); } printf(""); } } void FIFO()//FIFO算法 { init(); int i,j=1,n=20,k,f,m; stack[0][0]=numbers[0]; for(i=1;i<20;i++) { f=0; for(m=0;m<nums;m++) { stack[i][m]=stack[i-1][m]; } for(k=0;k<nums;k++) { if(stack[i][k]==numbers[i]) { n--; f=1; break; } } if(f==0) { stack[i][j]=numbers[i]; j++; } if(j==nums) j=0; } printf(""); printf("FIFO算法："); print(); printf("缺页错误数目为：%d",n); } void LRU()//LRU算法 { int i,j,m,k,sum=1,f; int sequence[7]={0};//记录序列 init(); stack[0][0]=numbers[0]; sequence[0]=nums; for(i=1;i<nums;i++)//前半部分，页面空置的情况 { for(j=0;j<nums;j++) { stack[i][j]=stack[i-1][j]; } for(j=0;j<nums;j++) //判断要插入的是否在栈中已经存在 { f=0; if(stack[i][j]==numbers[i]) { f=1; sum--; sequence[j]=nums; break; } } for(j=0;j<nums;j++) { if(sequence[j]==0&&f==0) { stack[i][j]=numbers[i]; sequence[i]=nums;//最近使用的优先级列为最高 break; } } for(j=0;j<i;j++)//将之前的优先级序列都减1 { if(sequence[j]!=0) sequence[j]--; } //sequence[i]=nums; sum++; } for(i=nums;i<20;i++)//页面不空，需要替换的情况 { int f; f=0; for(j=0;j<nums;j++) { stack[i][j]=stack[i-1][j]; } for(j=0;j<nums;j++)//判断输入串中的数字，是否已经在栈中 { if(stack[i][j]==numbers[i]) { f=1; k=j; break; } } if(f==0)//如果页面栈中没有，不相同 { for(j=0;j<nums;j++)//找优先序列中为0的 { if(sequence[j]==0) { m=j; break; } } for(j=0;j<nums;j++) { sequence[j]--; } sequence[m]=nums-1; stack[i][m]=numbers[i]; sum++; } else//如果页面栈中有，替换优先级 { if(sequence[k]==0)//优先级为最小优先序列的 { for(j=0;j<nums;j++) { sequence[j]--; } sequence[k]=nums-1; } else if(sequence[k]==nums-1)//优先级为最大优先序列的 { //无需操作 } else//优先级为中间优先序列的 { for(j=0;j<nums;j++) { if(sequence[k]<sequence[j]) { sequence[j]--; } } sequence[k]=nums-1; } } } printf(""); printf("LRU算法："); print(); printf("缺页错误数目为：%d",sum); } void OPT()//OPT算法 { int i,j,k,sum=1,f,q,max; int seq[7]={0};//记录序列 init(); stack[0][0]=numbers[0]; seq[0]=nums-1; for(i=1;i<nums;i++)//前半部分，页面空置的情况 { for(j=0;j<nums;j++) { stack[i][j]=stack[i-1][j]; } for(j=0;j<nums;j++) //判断要插入的是否在栈中已经存在 { f=0; if(stack[i][j]==numbers[i]) { f=1; sum--; //b++; seq[j]=nums; break; } } for(j=0;j<nums;j++) { if(seq[j]==0&&f==0) { stack[i][j]=numbers[i]; seq[j]=nums;//最近使用的优先级列为最高 break; } // else if(seq[j]==0&&f==1){ // b++; // sum--; // seq[j]=nums-1; // break; // } } for(j=0;j<nums;j++)//将之前的优先级序列都减1 { if(seq[j]!=0) seq[j]--; } sum++; } for(i=nums;i<20;i++)//后半部分，页面栈中没有空的时候情况 { //k=nums-1;//最近的数字的优先级 for(j=0;j<nums;j++)//前面的页面中内容赋值到新的新的页面中 { stack[i][j]=stack[i-1][j]; } for(j=0;j<nums;j++) { f=0; if(stack[i][j]==numbers[i]) { f=1; break; } } if(f==0)//页面中没有，需要替换的情况 { for(q=0;q<nums;q++)//优先级序列中最大的就是最久不会用的，有可能出现后面没有在用过的情况 { seq[q]=20; } for(j=0;j<nums;j++)//寻找新的优先级 { for(q=i+1;q<20;q++) { if(stack[i][j]==numbers[q]) { seq[j]=q-i; break; } } } max=seq[0]; k=0; for(q=0;q<nums;q++) { if(seq[q]>max) { max=seq[q]; k=q; } } stack[i][k]=numbers[i]; sum++; } else { //页面栈中有需要插入的数字，无需变化，替换的优先级也不需要变化 } } printf(""); printf("OPT算法："); print(); printf("缺页错误数目为：%d",sum); } - 1
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LRU算法
#include#include #include //主要数据结构 #define total_instrucion 15//总的页面访问次数 #define max_block_num 10//最大内存分配 int Access_Series[total_instrucion];//内存访问序列 char Lack[total_instrucion];//记录是否缺页 struct one_block {//一个物理块 int page_no;//物理块内的页面号 int tim;//计时，用于确定最近最久未使用的页面（LRU） }blocks[max_block_num]; int table[max_block_num][total_instrucion];//显示矩阵 void LRU(int block_num){ int diseffect;//缺页数 for (int i = 0; i < total_instrucion; i++) Lack[i] = 'N';//初始化不缺页 //数据结构blocks的初始化 for (int i = 0; i < block_num; i++) { blocks[i].page_no = -1;//初始化页号为-1，当前有空闲页面 blocks[i].tim = 0;//初始化计时 } //开始访问页面 for (int i = 0; i < total_instrucion; i++) { char full = 'T';//是否内存满 char hit = 'F';//是否命中 for (int j = 0; j < block_num; j++) blocks[j].tim++;//计时器加1 for (int j = 0; j < block_num; j++) { if (blocks[j].page_no == Access_Series[i]) {//命中的情况 hit = 'T'; blocks[j].tim=0;//刚刚访问，值变为0 break; }else if (blocks[j].page_no == -1) {//未命中，且内存未满的情况 blocks[j].page_no = Access_Series[i]; blocks[j].tim=0;//刚刚访问，值变为0 Lack[i] = 'Y';//缺页 diseffect++; full = 'F';//内存未满 break; } } if (full == 'T') {//内存已满 if (hit == 'F') {//若未命中 diseffect++; Lack[i] = 'Y'; int target = 0;//选中替换目标 for (int j = 1; j < block_num; j++) { if (blocks[j].tim>blocks[target].tim) target = j; } blocks[target].page_no = Access_Series[i]; blocks[target].tim=0;//刚刚访问，值变为0 } } for (int j = 0; j < block_num; j++) table[j][i] = blocks[j].page_no; } /*输出运行过程及结果*/ printf("采用LRU页面置换算法结果如下:"); printf("\n"); printf("页号:"); for (int i = 0; i < total_instrucion; i++) printf("%3d", Access_Series[i]); printf("\n"); printf("-----------------------------------------------------\n"); for (int i = 0; i < block_num; i++) { printf("块%2d:", i+1); for (int j = 0; j < total_instrucion; j++) printf("%3d", table[i][j]); printf("\n"); } printf("-----------------------------------------------------\n"); printf("缺页:"); for (int i = 0; i < total_instrucion; i++) printf("%3c", Lack[i]); printf("\n"); printf("-----------------------------------------------------\n"); printf("\t缺页次数:%d\t缺页率:%d/%d\n", diseffect, diseffect, total_instrucion); printf("-----------------------------------------------------\n"); } int main(){ //初始化 //父进程随机产生内存访问页面序列，存于数组Acess_Series[total_instruction]中 srand((unsigned)time(NULL)); for (int i = 0; i < total_instrucion; i++) Access_Series[i] = rand() % total_instrucion; int block_num; while(1){ printf("请输入分配的物理块数(-1退出):"); scanf("%d",&block_num); if(block_num==-1) break; LRU(block_num); } return 0; } - 1
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- 原文地址：https://blog.csdn.net/L6666688888/article/details/127785882
