1.页面缓冲算法
页面缓冲算法（Page Buffering Algorithm, PBA） 并不是一种独立的页面置换算法，而是一种对现有置换算法（如 FIFO 或 LRU）的优化策略。
它的核心思想是：不再直接丢弃被换出的页面，而是将它们暂时缓存在内存中一段时间。 这种策略最早在 VAX/VMS 操作系统中取得成功，现代操作系统（如 Windows）也广泛采用了类似的机制。
1. 核心机制：两个核心链表
当一个页面被选为“牺牲者”（Victim Page）准备换出时，PBA 并不立即将其内容擦除或写回磁盘，而是根据该页面的状态将其挂在以下两个链表之一：
1.1 空闲页链表 (Free Page List)
- 对象： 未被修改过的页面（干净页，Clean Pages）。
- 操作： 页面虽然从进程的页表中移除，但其内容仍保留在物理内存的帧中。
- 用途： 如果进程稍后再次访问该页，可以直接从该链表中“救回来”，只需修改页表指向即可，无需磁盘 I/O。
1.2 修改页链表 (Modified Page List)
- 对象： 曾被修改过的页面（脏页，Dirty Pages）。
- 操作： 这些页面暂时不写回磁盘，而是集中缓存在链表中。
- 用途： 只有当链表长度达到一定阈值，或者系统磁盘 I/O 空闲时，才批量（Batching）将它们写回磁盘。写回后，这些页面会转入“空闲页链表”。
2. 页面缓冲算法的优势
相比于传统的“换出即消失”策略，页面缓冲具有以下显著优点：
-
实现“软缺页中断”（Soft Page Fault）：
如果被置换出的页面很快又被访问（这在程序具有局部性时非常常见），系统可以从缓冲链表中直接找回。这种操作的开销远小于从磁盘读取的“硬缺页中断”。
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大幅减少磁盘 I/O 次数：
修改页链表通过批量写回的方式，将多次零散的随机写入转化为一次连续的顺序写入。这对于机械硬盘（HDD）的寻道优化至关重要，也能延长固态硬盘（SSD）的寿命。
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降低进程等待时间：
当发生缺页需要新帧时，系统可以立即从“空闲页链表”中拿出一个帧给进程，而不需要等待旧的脏页写回磁盘。这显著缩短了进程在缺页中断时的阻塞时间。
3. 典型应用场景：FIFO 的“救星”
传统的 FIFO（先进先出） 算法因为性能较差（可能换出活跃页面，甚至出现 Belady 异常）在现代系统中很少单独使用。
但是，FIFO + 页面缓冲 的组合却非常高效：
- FIFO 负责决定谁该离开（实现简单，开销极低）。
- 页面缓冲负责“兜底”，防止错杀活跃页面。
注： Windows 操作系统中的“备用列表（Standby List）”和“已修改列表（Modified List）”本质上就是页面缓冲算法的变体。
4. 与普通置换算法的对比
| 特性 | 普通页面置换 (如纯 LRU/FIFO) | 带缓冲的页面置换 (PBA) |
|---|---|---|
| 换出操作 | 立即写回磁盘或丢弃内容 | 放入缓冲链表，保留内容 |
| 错误惩罚 | 极高（必须再次读取磁盘） | 很低（内存内找回，软缺页） |
| 磁盘写入 | 逐页写回，随机 I/O 多 | 批量写回，顺序 I/O 优化 |
| 系统开销 | 较高（涉及驱动和硬件等待） | 较低（主要是链表指针操作） |
2.页框回收
在操作系统中，页框（Page Frame）是物理内存被分割成的固定大小单元，而页框回收是内存管理中极其关键的一个环节。
简单来说，当系统运行一段时间后，物理内存（RAM）会被填满。为了给新的进程或数据腾出空间，操作系统必须决定哪些内存不再紧急，并将其“回收”。
1. 为什么要进行页框回收？
物理内存是有限的资源。如果没有有效的回收机制，系统很快就会因为内存耗尽（OOM, Out of Memory）而崩溃。回收的核心目标是：保持系统始终有一定的空闲物理页框，以应对突发的内存需求。
2. 哪些内容可以被回收？
操作系统将内存中的内容分为几类，回收时的优先级和处理方式各不相同：
| 类型 | 内容示例 | 回收方式 |
|---|---|---|
| 文件缓存 (File-backed Pages) | 读取的磁盘文件、程序代码段。 | 如果没被修改过，直接丢弃；如果修改过（脏页），写回磁盘后丢弃。 |
| 匿名页 (Anonymous Pages) | 进程的堆（Heap）、栈（Stack）、数据段。 | 不能直接丢弃，必须先写入 交换分区（Swap），再次使用时再换入。 |
| 内核缓存 (Slab Cache) | 目录项缓存（dentry）、索引节点缓存（inode）。 | 根据内核定义的收缩函数（Shrinker）进行释放。 |
3. 触发回收的时机（以 Linux 为例）
Linux 系统不会等到内存完全为 0 才开始回收，而是设立了“水位线”（Watermarks）：
-
后台回收（Background Reclamation）：
当空闲内存低于 低水位（Low Watermark） 时，内核线程（如 kswapd）会被唤醒，在后台异步地回收内存，直到内存回到高水位。
-
直接回收（Direct Reclamation）：
如果内存消耗太快，降到了 最小水位（Min Watermark） 以下，此时进程在申请内存时会被阻塞，必须亲自原地进行回收工作，完成后才能获得内存。这会导致明显的系统卡顿。
-
OOM Killer：
如果上述方法都无法释放出内存，系统会祭出最后的手段：强制杀掉一个得分最高（占用内存多且不那么重要）的进程。
4. 常见的回收算法
回收时，系统需要挑选哪些页框最“不常用”，通常基于以下算法：
- 最近最少使用算法 (LRU)： 维护两个链表：活跃（Active）和非活跃（Inactive）。回收时优先从非活跃链表的尾部开始。
- 二次机会算法 / Clock 算法： 检查页面的引用位（Reference Bit），给最近被访问过的页面“第二次机会”。
- 反向映射 (Reverse Mapping)： 这是回收中最难的一步。一个物理页框可能被多个进程的虚拟地址映射，回收前必须通过反向映射找到所有相关的页表项，并解除映射。
5. 页框回收与你之前提到的概念
- 与工作集的关系： 页框回收算法会尽量避免回收属于进程“工作集”内的页面，否则会引发抖动。
- 与页面缓冲的关系： 页面缓冲算法实际上是为回收提供了一个“缓冲区”。被回收的页先进入缓冲链表，如果进程马上又要用，可以快速找回，从而降低回收带来的性能损失。
总结
页框回收是操作系统的“清洁工”。它平衡了内存利用率和系统响应速度。如果回收太积极，会浪费 CPU 资源并导致频繁 I/O；如果回收太消极，系统则面临崩溃风险。