頁面置換演算法 CLOCK置換演算法及其改進版演算法

本文主要介紹頁面置換演算法中的clock置換演算法。頁面置換演算法中的lru演算法最接近理想情況下的opt演算法，但是實現起來比較困難且開銷較大，所以很多設計者試圖用開銷比較小的演算法接近lru演算法，clock演算法就是其中一種。

1.簡單的clock演算法是通過給每乙個訪問的頁面關聯乙個附加位(reference bit)，有些地方也叫做使用位(use bit)。他的主要思想是：當某一頁裝入主存時，將use bit置成1；如果該頁之後又被訪問到，使用位也還是標記成1。對於頁面置換演算法，候選的幀集合可以看成是乙個迴圈緩衝區，並且有乙個指標和緩衝區相關聯。遇到頁面替換時，指標指向緩衝區的下一幀。如果這頁進入主存後發現沒有空餘的幀(frame)，即所有頁面的使用位均為1，那麼這時候從指標開始迴圈乙個緩衝區，將之前的使用位都清0，並且留在最初的位置上，換出該楨對應的頁。

以下面這個頁面置換過程為例，訪問的頁面依次是:1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5。主存有4個空閒的幀，每個頁面對應的結構為(頁面號，使用位)。

最開始頁面號1進入主存，主存裡面有空閒的幀，將其使用位記成1，由於主存中之前沒有頁面1，所以會發生缺頁中斷。

同理隨後的頁面2，3，4進入主存，將其使用位記成1，發生缺頁中斷。

當之後的頁面1，2進入主存時，由於頁面1,2已經在主存中，不做處理。

當之後的頁面5進入主存時，主存內沒有空餘的幀，這時候隨著指標迴圈移動整個緩衝區，將之前頁面的使用位全部清0，即這時候頁面1,2,3,4對應的使用位全部為0，指標回到最初的位置，將頁面1替換出去，頁面5換入主存，同時使用位標記成1。以此類推，可知clock共發生10次缺頁中斷。

2.改進型的clock演算法

在之前的clock演算法上面除了使用位(used bit)，還增加了乙個修改位(modified bit)，有些地方也叫做dirty bit。現在每一頁有兩個狀態，分別是(使用位，修改位)，可分為以下四種情況考慮：

(0,0)：最近沒有使用使用也沒有修改，最佳狀態！

(0,1)：修改過但最近沒有使用，將會被寫

頁面替換的順序：

從指標當前的位置開始尋找主存中滿足(使用位，修改位)為(0,0)的頁面；

如果第1步沒有找到滿足條件的，接著尋找狀態為(0,1)頁面；

如果依然沒有找到，指標回到最初的位置，將集合中所有頁面的使用位設定成0。重複第1步，並且如果有必要，重複第2步，這樣一定可以找到將要替換的頁面。

1.當頁面0來時，frame0空閒，所以換入頁面0，修改狀態為(1,0)，同時發生缺頁中斷。

2.當訪問頁面1時，由於頁面1,將要被修改，其狀態設定為(1,1)，同時發生缺頁中斷。

3.同理對於接下來的頁面3,6，將其狀態設定為(1,0),，同時發生缺頁中斷。

4.對於接下來的頁面2，按照之前的頁面置換演算法的順序，他現在主存中找狀態為(0,0)的頁面，發現沒有....然後執行演算法的第二步，找狀態為(0,1)的頁面，發現還是沒有.....這時候把主存裡面所有頁面的used bit清零，再重複執行演算法的第一步，此時由於頁面0的狀態已經變成(0,0)，頁面2把頁面0替換出主存。同時由於在之前的設計中頁面2屬於將要被修改(modify)的頁面，故將其狀態設定為(1,1)。由於經歷了兩輪查詢，所以"fault ?"對應的查詢次數為2*4+1=9。同理可類推訪問其他頁面的情況。最後可知缺頁次數為13次。

歡迎指正~ 

頁面置換演算法之Clock演算法

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