操作系统：老化算法

Posted 2020-08-23 黑乌鸦

因为LRU（最近最少使用）算法的两种实现方案都比较麻烦而且开销很大，所以提出了用软件来模拟LRU算法的NFU（不经常使用）算法，但是NFU算法存在一些问题，比如在一个多次扫描编译器中，在第一遍扫描中被频繁用到的页，在程序进入第二遍扫描时计数器值可能仍然很高。实际上，如果第一次扫描的执行时间恰好是各次扫描中最长的，含有以后各次扫描代码的页的计数器可能总是比含有第一次扫描代码的页小，其结果是操作系统将删除掉有用的页而不是不再使用的页。

 所以为了使NFU算法能够更好的模拟LRU算法，需要对其进行修改，修改分两部分：第一是计数器在R位被加进来之前右移一位；第二是R位加到计数器的最左端而不是最右端。这就是老化算法。

 这样修改以后的老化算法的结果是显而易见的，因为每次都对计数器进行移位，这就相当于每次都“清除”掉上一次的计数值，但是这个值并非被完全去掉而是保存在后面的位中，然后通过对高位添加R位来决定需要淘汰的页面，这样就保证了需要淘汰页面时计数器值最小的叶面肯定是最近最少访问到的页面。

 

	时钟周期0	时钟周期1	时钟周期2	时钟周期3	时钟周期4
页面0	10000000	11000000	11100000	11110000	01111000
页面1	00000000	10000000	11000000	01100000	10110000
页面2	10000000	01000000	00100000	00010000	10001000
页面3	00000000	00000000	10000000	01000000	00100000
页面4	10000000	11000000	01100000	10110000	01011000
页面5	10000000	01000000	10100000	01010000	00101000

 

用软件模拟LRU的老化算法6个页面在5个时钟周期内的计数器情况

 从上表可以看出，在未开始之前所有计数器的值都为0，每过一个时钟周期首先将计数器右移一位，然后将新的R位添加到计数器最左端，发生淘汰时淘汰计数器值最小的页面。

 在第5个时钟周期出现了选择的问题，页面3和5都连续两个周期没有被访问了，而在两个周期之前的一个周期中他们都被访问过。根据LRU，如果有一个页面必须被淘汰掉，我们应该在这两个页面中选一个。然而现在的问题是我们不知道在时钟周期1到时钟周期2期间这两个页中的哪一个后被访问到，在每个时钟周期中只记录一位使我们无法区分一个周期内较早和较晚的访问，我们所能作的只是淘汰掉页3，因为页5在再往前的周期中也被访问过而页3没有。

 老化算法存在的另外一个问题是计数器始终都只有有限位，如上表所示只有8位计数器，这就意味着开始的访问数据会被冲掉，如果两个页面的计数值恰巧一样的话，唯一的办法就是从两个页面中随机淘汰掉一个。