操作系统时钟(CLOCK)置换算法

本文详细解析了时钟(CLOCK)置换算法的工作流程,通过具体实例展示了算法如何处理页面走向,包括如何判断和更新访问位,以及如何进行数据置换。

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一个作业物理块数为3,作业页面走向为3,4,2,6,4,3

时钟(CLOCK)置换算法流程

注意:红色为访问位,蓝色为内存数据

箭头处开始

 

第一步:

第一个页面走向为3,此时内存中没有数据,且访问位为0,于是将3放入内存,并修改访问位为1,指针下移,得到如下图

 

第二步:

第二个页面走向为4,此时指针指向处无数据,且访问位为0,于是将4放入内存,并修改访问位为1,指针下移,得到如下图

 

第三步:

第三个页面走向为2,此时指针指向处无数据,且访问位为0,于是将2放入内存,并修改访问位为1,指针下移,得到如下图

 

第四步:

第四个页面走向为6,此时指针指向处有数据3,非6,且访问位为1,不放入,于是将访问位由1变0,然后指针下移得到如下图

 

第五步:

此时指针指向处有数据4,非6,且访问位为1,不放入,于是将访问位由1变0,然后指针下移得到如下图

 

第六步:

此时指针指向处有数据2,非6,且访问位为1,不放入,于是将访问位由1变0,然后指针下移得到如下图

第七步:

已完成一圈,此时指针指向处有数据3,非6,且访问位为0,于是放入6,然后将访问位由0变1,然后指针下移得到如下图

 

第八步:

第五个页面走向为4,此时指针指向处有数据4,为4,且访问位为0,于是将访问位由0变1,然后指针下移得到如下图

 

第九步:

第六个页面走向为3,此时指针指向处有数据2,非3,且访问位为0,于是放入3,然后将访问位由0变1,然后指针下移得到如下图

 

至此置换流程结束。

总结:

当内存中无对应数据时访问位为0即可置换之后再变换访问位,访问位为1不置换仍然变换访问位然后指针下移。当内存中有对应数据时,访问位变换,指针下移。

每访问一次,无论是否发生置换,访问位都要变换。

 

 

本实验使用一下算法 使用rand()函数随机产生页面号,用数组装入页面号,模拟页面调入内存中发生页面置换的过程。 整个过程,都是使用数组来实现每个算法,模拟队列,模拟堆栈的功能,实现每一个置换算法。 页面置换算法 最佳置换算法(OPT):选择永不使用或是在最长时间内不再被访问(即距现在最长时间才会被访问)的页面淘汰出内存。用于算法评价参照。 随机置换算法 (S):产生一个取值范围在0和N-1之间的随机数,该随机数即可表示应被淘汰出内存的页面。 先进先出置换算法(FIFO):选择最先进入内存即在内存驻留时间最久的页面换出到外存。 最近最久未使用置换算法(LRU): 以“最近的过去”作为“最近的将来”的近似,选择最近一段时间最长时间未被访问的页面淘汰出内存 Clock置换算法:为进入内存的页面设置一个访问位,当内存中某页被访问,访问位置一,算法在选择一页淘汰时,只需检查访问位,若为0,则直接换出,若为1,置该访问位为0,检测内存中的下一个页面的访问位。 改进型Clock置换算法: ①从查寻指针当前位置起扫描内存分页循环队列,选择A=0且M=0的第一个页面淘汰;若未找到,转② ② 开始第二轮扫描,选择A=0且M=1的第一个页面淘汰,同时将经过的所有页面访问位置0;若不能找到,转①
### 操作系统时钟置换算法的改进方法 #### 传统时钟置换算法概述 传统的时钟置换算法是一种基于页面访问位(Page Reference Bit)来决定替换哪个页面的方法。该算法通过维护一个循环队列,当需要淘汰一页时,会遍历这个队列直到找到第一个其访问位被设置为0的页并将其替换掉[^1]。 #### 存在的问题 然而,在实际应用过程中发现这种简单的策略存在一些不足之处。例如,如果工作集大小变化频繁,则可能导致缓存命中率下降;另外由于只考虑了最近一次访问情况而忽略了更长时间内的访问模式,这使得某些经常使用的数据可能会被错误地移除出去[^2]。 #### 改进措施之一:引入二次机会(Second Chance)机制 为了提高性能表现,可以在原有基础上增加“第二次机会”的概念。具体来说就是在遇到要被淘汰却标记有近期使用过的页面时不是立即抛弃而是给它重新置零后再放回链表末端继续参与下一轮筛选过程。这样可以有效减少有用信息过早丢失的风险,从而提升整体效率[^3]。 ```python def second_chance_replacement(pages, frame_size): frames = [-1] * frame_size clock_hand = 0 page_faults = 0 reference_bits = {} for page in pages: if page not in frames: # 如果当前帧已满则执行替换逻辑 while True: current_frame = frames[clock_hand % frame_size] if current_frame != -1 and reference_bits.get(current_frame, False): # 清除引用位并将指针移动到下一个位置 reference_bits[current_frame] = False clock_hand += 1 else: # 找到了可替换的位置 break frames[clock_hand % frame_size] = page page_faults += 1 # 更新或初始化新进入页面的引用状态 reference_bits[page] = True # 移动时钟指针 clock_hand += 1 return page_faults ``` #### 另一种优化方案——老化(Aging)算法的应用 另一种有效的改进方式是采用老化算法。这种方法通过对每一页分配一定长度二进制计数器的方式记录过去一段时间内是否有对该页进行读写操作的情况。随着时间推移不断左移这些数值的同时加入新的最低位表示最新的一次是否被触及。最终依据各个页面所对应的整数值高低来进行优先级排序以指导内存管理单元做出合理的选择[^4]。
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