Algoritmos de reemplazo de páginas

En sistemas operativos que utilizan paginación para el manejo de memoria, los algoritmos de reemplazo de páginas son usados para decidir qué páginas pueden ser sacadas de memoria cuando se necesita cargar una nueva y ya no hay espacio.

Óptimo

Este algoritmo tiene como finalidad retirar la página que vaya a ser referenciada más tarde, por ejemplo si hay una página A que será usada dentro de 10000 instrucciones, y una página B que será usada dentro de 2800 instrucciones, se debería eliminar de la memoria la página A.

Como se puede deducir, para esto el sistema operativo debería ver en cuánto tiempo será usada cada página en memoria y elegir la que está más distante.

El problema de este método es que necesita conocimiento del futuro, por lo que es imposible su implementación. Es un algoritmo teórico.

Se utiliza a los efectos comparativos con los algoritmos factibles de ser implementados.

Primera en entrar, primera en salir (FIFO First-in,first-out)

En este método el sistema operativo sólo tiene que guardar en qué orden las páginas fueron cargadas, de modo que al necesitar hacer espacio pueda fácilmente elegir la primera página cargada. Se usa una cola, al cargar una página nueva se ingresa en el último lugar. Aunque las colas FIFO son simples e intuitivas, no se comportan de manera aceptable en la aplicación práctica, por lo que es raro su uso en su forma simple. Uno de los problemas que presentan es la llamada Anomalía FIFO o Anomalía de Belady. Belady encontró ejemplos en los que un sistema con un número de páginas igual a tres tenía menos fallos de páginas que un sistema con cuatro páginas. El mayor problema consiste en que podemos quitar de memoria una página de memoria muy usada, sólo porque es la más antigua.

Segunda oportunidad

Es una pequeña modificación al algoritmo FIFO, que funciona bastante mejor que aquel. En este caso cuando una página debe ser sacada se toma la primera en la cola, y en vez de sacarla, consulta el valor de un bit de referencia. En caso de estar fijado (en 1) se cambia el bit a 0 y se lo coloca al final de la cola, actualizando su tiempo de carga como si recién hubiera llegado a la memoria. De esta forma, se le da una segunda oportunidad. Si el bit se encuentra sin fijar(en 0), la página se saca de memoria. Cada vez que la Unidad de Manejo de Memoria (MMU) accede a una página, fija su bit de referencia a 1. Para esto es necesario soporte para bit de referencia por hardware.

No usada recientemente (Not Recently Used, NRU)

Este algoritmo favorece a las páginas que fueron usadas recientemente. Funciona de la siguiente manera: cuando una página es referenciada, fija el bit de referencia para esa página. Similarmente, cuando una página es modificada, fija su bit de modificación. Usualmente estas operaciones son realizadas por el hardware, aunque puede hacerse también por software.

En un tiempo fijo, el sistema operativo pone en 0 los bits de referencia de todas las páginas, de modo que las páginas con su bit de referencia en 1 son las que fueron referenciadas dentro del último intervalo de reloj. Cuando una página debe ser reemplazada, el sistema operativo divide las páginas en cuatro categorías:

Categoría 0: no referenciada, no modificada.
Categoría 1: no referenciada, modificada.
Categoría 2: referenciada, no modificada.
Categoría 3: referenciada, modificada.

Las mejores páginas para cambiar son las que se encuentran en la categoría 0, mientras que las peores son las de la categoría 3. Se desaloja al azar una página de la categoría más baja que no esté vacía. Este algoritmo se basa en la suposición de que es mejor desalojar una página modificada a la que no se ha hecho referencia en al menos un tic de reloj, en vez de una página limpia que se está usando mucho.

Menos usada recientemente (Least Recently Used, LRU)

Este algoritmo difiere del de 'No usada recientemente' en el hecho de que aquel sólo se fija en el intervalo de tiempo desde que se pusieron en 0 los bits de referencia de las páginas, mientras que el algoritmo de 'Menos usada recientemente' intenta proveer un comportamiento casi óptimo mediante la observación de las páginas que menos fueron usadas recientemente. Este tipo de páginas, estadísticamente son las que tienen menor probabilidad de ser usadas nuevamente.

Aunque este algoritmo provee un buen comportamiento en teoría, es caro de implementar, en cuanto a recursos consumidos. Hay varias implementaciones que intentan mantener bajo el costo y lograr un rendimiento considerable. Un método consiste en tener una lista enlazada y ordenada de todas las páginas en memoria. En el final de la lista está la página menos recientemente usada, y al principio la más recientemente usada. El costo alto de este método es porque cada vez que se referencia una página debe ser movida en la lista, algo que consume mucho tiempo.

Otra forma, que requiere soporte de hardware, consiste en tener un contador que es incrementado en cada instrucción del CPU. Cada vez que una página es accedida, gana el número del contador en ese momento. Cuando una página debe ser retirada de memoria, simplemente hay que buscar cuál es la que tiene el menor número, que es la que fue usada hace más tiempo. En el presente no existen contadores tan grandes para permitir esto.

Debido al alto costo del LRU, se proponen algoritmos similares, pero que permiten implementaciones menos costosas, como los que siguen.

Envejecimiento (Aging)

Este algoritmo es un descendiente del algoritmo "No usada frecuentemente", con algunas modificaciones necesarias para tener en cuenta en qué momento fue usada frecuentemente una página, y no solamente cuántas veces fue referenciada.

En vez de sólo incrementar el contador de la página cuando es referenciada, primero se desplaza a la derecha (se divide por 2) y después sí se suma 1. Por ejemplo, si los bits de referencia de una página fueron 1, 0, 0, 1, 1 y 0 en los últimos 6 ticks del reloj, el contador se verá así: 10000000, 01000000, 00100000, 10010000, 11001000, 01100100.

De esta forma, cuando se necesite eliminar una página de memoria, se eliminará la que tenga el número más pequeño en su contador.

Este algoritmo provee una buena aproximación al desempeño del algoritmo óptimo, por un módico precio.