頁面置換算法
1. 總述
爲提高內存利用率，解決內存供不應求的問題，更加合理的使用內存，人們創造了分頁式內存抽象。同時有一個虛擬內存的概念，是指將內存中暫時不需要的部分寫入硬盤，看上去硬盤擴展了內存的容量，所以叫做“虛擬”內存。使用虛擬內存，應用程序可以使用比實際物理內存更大的內存空間。可以認爲這個更大的內存空間就在硬盤上，只有將某一部分需要被用到時，才被寫入真實內存；當它暫時不再被用到時，又被寫回硬盤。分頁式內存管理將物理內存分爲等大的小塊，每塊大小通常爲1K、2K、4K等，稱爲頁幀；邏輯內存（使用虛擬內存技術擴大的內存，可認爲其位於硬盤上）也被分爲等大的小塊，稱爲頁；且頁和頁幀的大小一定是一樣的，它是寫入真實內存和寫回硬盤最小單位。
介紹另外幾個概念：
使用位：每個頁幀都有一個使用位，記錄此頁幀是否被使用。
修改位（髒位）：每個頁幀都有一個髒位，記錄此頁幀是否被更改。調出真實內存時，被更改過的頁幀要寫回硬盤，未被更改過的頁幀直接扔掉即可，因爲硬盤上此頁幀的副本仍然有效。
邏輯地址：使用虛擬內存技術擴大後的內存的地址。
物理地址：真實內存的地址。
當然，進程載入到真實內存纔可以運行，而進程代碼使用的是邏輯地址，所以牽扯到一個地址轉換的問題，將邏輯地址轉換爲物理地址。邏輯地址可分爲兩段，前半段代表頁號，後半段代表頁內偏移，物理地址也可分爲兩段，前半段代表頁幀號，後半段代表頁內偏移。地址轉換的方法即，將邏輯地址的頁號對應爲物理地址的頁幀號（對應關係記錄在一張表中，比如頁號爲5，對應到真實內存中頁幀號爲3），頁內偏移不同變化（頁和頁幀的大小是一樣的）。
2. 介紹頁面置換算法
假設某一時刻內存頁幀已經被寫滿了，但這時又需要將一個頁寫到物理內存中，就需要將原本在物理內存中的某一頁換出來。如果置換不當，就會導致剛剛被換出到硬盤的頁又要被寫回內存，減慢系統運行的速度。頁面置換算法就是考慮將哪一頁換出來以獲得優良性能的方法。
2.1 Optimal算法（最優算法）
首先介紹最優算法，它需要知道以後要被用到的頁，然後將不會被用到的頁換出內存；如果所有頁都會被用到，就把需要使用時間離現在最長的頁換出，以儘量使不好的情況晚發生。這種方法能使系統獲得最佳性能，但是，它是不可能實現的…因爲當前無法獲知以後哪些頁要被用到。不過最優算法還是能夠作爲其他算法優秀程度的衡量。
2.2 FIFO（First-In First-Out，先進先出）算法
FIFO算法的思想很簡單，就是置換出當前已經待在內存裏時間最長的那個頁。FIFO算法的運行速度很快，不需要考慮其他的因素，需要的開銷很少。但是正是由於沒有考慮頁面的重要性的問題，FIFO算法很容易將重要的頁換出內存。
2.3 Second Chance（第二次機會）算法
爲了避免FIFO算法將重要的頁換出內存，Second Chance算法提供了一些改進。Second Chance算法在將頁面換出內存前檢查其使用位（使用位前文有介紹），如果其使用位爲1，證明此頁最近有被使用，猜測它還可能被使用，於是不把它置換出內存，但是把其使用位置爲0，隨後檢查下一個頁面，直到發現某頁的使用位爲0，將此頁置換出內存。
2.4 Clock算法（時鐘輪轉法）
爲了節約Second Chance算法一個接着一個檢查使用位的開銷，時鐘輪轉法又提出了改進。時鐘輪轉法將所有的頁組成一個圓，圓心的指針指向下一個要被置換的頁面，置換前同樣檢查使用位，如果使用位爲1，同樣將其使用位置爲0，隨後將順指針旋轉，檢查下一個頁面，直到發現某頁的使用位爲0，將此頁置換出內存。很容易理解此算法爲什麼叫“時鐘”輪轉法。
圖示：
此時2號頁是下一個要被置換出內存的頁，置換時如果發現其使用位爲1，則將使用位置0後順時針旋轉指針檢查1號頁。
2.5 LRU（Least Recent Used, 最近最少使用）算法
爲獲得對最優算法的模擬，提出了LRU算法。由於當前時間之後需要用到哪些頁無法提前獲知，於是記錄當前時間之前頁面的使用情況，認爲之前使用過的頁面以後還會被用到。在置換時，將最近使用最少的頁面換出內存。此種方法的開銷比較大。
2.6 NRU（Not Recent Used， 最近未使用）算法
前面提到修改位和使用位，NRU算法利用這兩個標誌位將所有頁幀分爲4組：
第0組：修改位和使用位都爲0；
第1組：修改位爲0，使用位爲1；
第2組：修改位爲1，使用位爲0；
第3組：修改位和使用位都爲1。
NRU算法從組數最小的一組中隨機選擇一個頁面將其移出內存。可能有人會發現第2組這種情況根本不會出現，如果一個頁幀被修改，其修改位會被置1，同時它也被使用了，其使用位也會被置1；即不會出現被修改但是沒有被使用的情況。真實情況是，頁幀的使用位會被定時清零，這樣第3組經過一次清零就會變成第2組。這也符合“最近”未使用，即很久以前被使用的頁幀被清零了，不在統計範圍內，只要“最近”沒有被使用，就很有可能被移出。
NRU算法不是最好的，但是它使用起來開銷很小，用較小的代價就得到了不錯的效果，不失爲一種不錯的算法。