操作系统页面置换算法FIFO——Belady异常与一个简单案例

一、引言

       在操作系统中，页面置换是一个重要知识点，是用于解决内存空间有限核心技术。当进程访问的页面不在内存时，发生缺页异常，操作系统会将目标页面从外存调入内存，倘若此时该进程已无空闲块，就需要使用到页面置换技术。

       而FIFO（First In First Out，即先进先出）是页面置换算法中最基础、最容易实现的一个算法。但它存在一个非常严重的违反常识的缺陷：即当增加内存块后，缺页率不降反增！

       本文通过一个简单的案例，简单展示这种现象，即Belady异常。

---

二、简述FIFO页面置换算法原理

       通过访问时间顺序，每当需要页面置换时，换出那个最早进入的页面。要做到这一点，只需维护一个访问队列，队首位最早当前进入的页面。

三、触发Belady异常的一个经典案例

       如下图、当访问序列编号为1  2  3  4  1  2  5  1  2  3  4  5 时：

        当该进程分配的物理块数为3时，缺页率为70.00%，而当物理块数上升到4时，缺页率不降反增，来到了83.33%。

四、为什么FIFO会发生Belady 异常

         FIFO算法 的仅依据页面进入内存的时间排序，不考虑页面的未来访问概率，即不考虑空间局部性设计。

        当物理块数增加时，可能会留下的仅仅是那些未来不再访问的页面，而将即将访问的页面替换出去，导致更多缺页，缺页率不降反增。