操作系统 实验3【动态分区存储管理】

1. 操作系统 实验1【短作业优先调度算法（C++实现——FCFS\SJF\HRRN）】
2. 操作系统 实验2【动态高优先权优先调度算法 C++实现】
3. 操作系统 实验3【动态分区存储管理 Python实现】
4. 操作系统 实验4【基本分页存储管理 C++实现】

目录

一、实验目的（目的与任务）

二、实验内容（内容、要求与安排方式）

三、实验代码

①创建表示分区的类，类包含：分区ID、起始地址、结束地址、分区长度、分区状态

②导入python模块，方便拷贝分区对象

③编写表示分区状态的函数

④编写冒泡排序函数

⑤编写首次适应算法（First Fit）函数

⑥编写最佳适应算法（Best Fit）函数

⑦回收内存（作业）函数

⑧编写主函数

完整实验代码

四、实验结果

五、实验总结

---

一、实验目的（目的与任务）

熟悉并掌握动态分区分配的各种算法。

熟悉并掌握动态分区中分区回收的各种情况，并能够实现分区合并。

二、实验内容（内容、要求与安排方式）

用高级语言模拟实现动态分区存储管理，要求：

1. 分区分配算法至少实现首次适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法中的至少一种。熟悉并掌握各种算法的空闲区组织方式。
2. 分区的初始化——可以由用户输入初始分区的大小。（初始化后只有一个空闲分区，起始地址为0，大小是用户输入的大小）
3. 分区的动态分配过程：由用户输入作业号和作业的大小，实现分区过程。
4. 分区的回收：用户输入作业号，实现分区回收，同时，分区的合并要体现出来。（注意：不存在的作业号要给出错误提示！）
5. 分区的显示：任何时刻，可以查看当前内存的情况（起始地址是什么，大小多大的分区时空闲的，或者占用的，能够显示出来）
6. 要求考虑：（1）内存空间不足的情况，要有相应的显示；

      （2）作业不能同名，但是删除后可以再用这个名字；

      （3）作业空间回收是输入作业名，回收相应的空间，如果这个作业名不存在，也要有相应的提示。

三、实验代码

①创建表示分区的类，类包含：分区ID、起始地址、结束地址、分区长度、分区状态

class Memory(object):

    def __init__(self, start, end, length, state=1, ID=0):

        self.Id = ID  ##ID为0是未分配，其余为任务编号

        self.start = start

        self.end = end

        self.length = length

        self.state = state  # state为1：内存未分配

②导入python模块，方便拷贝分区对象

import copy # 导入python模块，copy仅拷贝对象本身

③编写表示分区状态的函数

def show_memory(list):

    print("分配状态    分区号    起始地址   终止地址  分区大小")

    for i in range(0, len(list)):

        p = list[i]

        if p.state == 1:

            print("%s%s%s%11.d%11.d%10.d" % ('空闲', "          ", p.Id, p.start, p.end, p.length))

        else:

            print("%s%s%s%11.d%11.d%10.d" % ('已分配', "        ", p.Id, p.start, p.end, p.length))

④编写冒泡排序函数

##冒泡排序

def bubble_sort(list):

    count = len(list)

    for i in range(0, count):

        for j in range(i + 1, count):

            if list[i].length < list[j].length:

                list[i], list[j] = list[j], list[i]

    return list

⑤编写首次适应算法（First Fit）函数

# 首次适应算法（First Fit）

def FF(work_id, work_length, list):

    for i in list:

        if i.Id == work_id:

            print('作业已存在！')

            return

    for i in range(0, len(list)):

        p = list[i]

        if p.state == 1 and p.length > work_length:  # p是当前未分配内存的大小

            node2 = Memory(p.start + work_length, p.end, p.length - work_length, 1, 0)  # 剩下的未分配的

            a = Memory(p.start, p.start + work_length - 1, work_length, state=0, ID=work_id)  # a是已分配的

            del list[i]

            list.insert(i, node2)

            list.insert(i, a)

            show_memory(list)

            return

        if p.state == 1 and p.length == work_length:

            p.state = 0

            show_memory(list)

            return

    print("内存空间不足！")

⑥编写最佳适应算法（Best Fit）函数

##最佳适应算法（Best Fit）

def BF(work_id, work_length, li):

    for i in li:

        if i.Id == work_id:

            print('作业已存在！')

            return

    q = copy.copy(li)

    q = bubble_sort(q)  # 从小到大排序,给所有已分配和未分配的排序

    s = -1

    ss12 = -1

    for i in range(0, len(q)):

        p = q[i]

        if p.state == 1 and p.length > work_length:  # p.state == 1 已分配的不参与分配

            s = p.start  # s得到起始位置

        elif p.state == 1 and p.length == work_length:

            ss12 = p.start

    if s == -1 and ss12 == -1:

        print("内存空间不足！")

        return

    for i in range(0, len(li)):

        p = li[i]

        if p.start == s:

            node2 = Memory(p.start + work_length, p.end, p.length - work_length, 1, 0)  # 未分配

            a = Memory(p.start, p.start + work_length - 1, work_length, state=0, ID=work_id)

            del li[i]

            li.insert(i, node2)

            li.insert(i, a)

            show_memory(li)

            return

        elif p.start == ss12:

            p.state = 0

            show_memory(li)

            return

 

⑦回收内存（作业）函数

##回收内存（作业）函数

def free1(work_id, li):

    for i in range(0, len(li)):

        p = li[i]

        if p.Id == work_id:

            p.state = 1

            target = i

            p.Id = 0

            break

    # 向前合并空闲块

    if target - 1 > 0:

        if li[target - 1].state == 1:

            a = Memory(li[target - 1].start, li[target].end, li[target - 1].length + li[target].length, 1, 0)

            del li[target - 1]

            del li[target - 1]

            li.insert(target - 1, a)

            target = target - 1

    # 向后合并空闲块

    if target + 1 < len(li):

        if li[target + 1].state == 1:

            a = Memory(li[target].start, li[target + 1].end, li[target].length + li[target + 1].length, 1, 0)

            del li[target]

            del li[target]

            li.insert(target, a)

    show_memory(li)

⑧编写主函数

if __name__ == '__main__':

    print("输入内存大小：")

    size = int(input())

    a = Memory(0, size - 1, size, state=1, ID=0)

    b = []

    b.append(a)

    print('*******1：初始化******')

    print('*******2：分配空间****')

    print('*******3：回收********')

    print('*******4：查看********')

    print('*******5：退出********')

    while (True):

        select = input('请输入想要执行的功能：')

        if select == '5':

            break

        elif select == '1':

            print("输入内存大小：")

            size = int(input())

            a = Memory(0, size - 1, size, state=1, ID=0)

            b = []

            b.append(a)

        elif select == '2':

            print("1.首次适应算法：FF")

            print("2.最佳适应算法：BF")

            x = input("请输入分配执行的算法：")

            x = float(x)

            repit = 'Y'

            while (repit == 'Y'):

                if x == 1:

                    work_size = input('请输入作业id和大小：').split()

                    FF(work_size[0], int(work_size[1]), b)

                    repit = input('是否继续（Y/N）：')

                elif x == 2:

                    work_size = input('请输入作业id和大小：').split()

                    BF(work_size[0], int(work_size[1]), b)

                    repit = input('是否继续（Y/N）：')

        elif select == '3':

            id_delete = input('请输入删除作业id：')

            free1(id_delete, b)

        else:

            show_memory(b)

完整实验代码

import copy  # 导入python模块，copy仅拷贝对象本身


# 创建表示分区的类，类包含：分区ID、起始地址、结束地址、分区长度、分区状态
class Memory(object):
    def __init__(self, start, end, length, state=1, ID=0):  # __init__()方法是一种特殊的方法，被称为类的初始化方法，当创建这个类的实例时就会调用该方法
        # self代表类的实例，self在定义类的方法时是必须有的，虽然在调用时不必传入相应的参数
        self.Id = ID  ##ID为0是未分配，其余为任务编号
        self.start = start
        self.end = end
        self.length = length
        self.state = state  # state为1：内存未分配


# 编写表示分区状态的函数
def show_memory(list):
    print("分配状态    分区号    起始地址   终止地址  分区大小")
    for i in range(0, len(list)):
        p = list[i]
        if p.state == 1:
            print("%s%s%s%11.d%11.d%10.d" % ('空闲', "          ", p.Id, p.start, p.end, p.length))
        else:
            print("%s%s%s%11.d%11.d%10.d" % ('已分配', "        ", p.Id, p.start, p.end, p.length))


# 首次适应算法（First Fit）
def FF(work_id, work_length, list):
    for i in list:
        if i.Id == work_id:
            print('作业已存在！')
            return
    for i in range(0, len(list)):
        p = list[i]
        if p.state == 1 and p.length > work_length:  # p是当前未分配内存的大小
            node2 = Memory(p.start + work_length, p.end, p.length - work_length, 1, 0)  # 剩下的未分配的
            a = Memory(p.start, p.start + work_length - 1, work_length, state=0, ID=work_id)  # a是已分配的
            del list[i]
            list.insert(i, node2)
            list.insert(i, a)
            show_memory(list)
            return
        if p.state == 1 and p.length == work_length:
            p.state = 0
            show_memory(list)
            return
    print("内存空间不足！")


# 回收内存（作业）函数
def free1(work_id, li):
    for i in range(0, len(li)):
        p = li[i]
        if p.Id == work_id:
            p.state = 1
            target = i
            p.Id = 0
            break
    # 向前合并空闲块
    if target - 1 > 0:
        if li[target - 1].state == 1:
            a = Memory(li[target - 1].start, li[target].end, li[target - 1].length + li[target].length, 1, 0)
            del li[target - 1]
            del li[target - 1]
            li.insert(target - 1, a)
            target = target - 1
    # 向后合并空闲块
    if target + 1 < len(li):
        if li[target + 1].state == 1:
            a = Memory(li[target].start, li[target + 1].end, li[target].length + li[target + 1].length, 1, 0)
            del li[target]
            del li[target]
            li.insert(target, a)
    show_memory(li)


# 冒泡排序
def bubble_sort(list):
    count = len(list)
    for i in range(0, count):
        for j in range(i + 1, count):
            if list[i].length < list[j].length:
                list[i], list[j] = list[j], list[i]
    return list


# 最佳适应算法（Best Fit）
def BF(work_id, work_length, li):
    for i in li:
        if i.Id == work_id:
            print('作业已存在！')
            return
    q = copy.copy(li)
    q = bubble_sort(q)  # 从小到大排序,给所有已分配和未分配的排序
    s = -1
    ss12 = -1
    for i in range(0, len(q)):
        p = q[i]
        if p.state == 1 and p.length > work_length:  # p.state == 1，已分配的不参与分配
            s = p.start  # s得到起始位置
        elif p.state == 1 and p.length == work_length:
            ss12 = p.start
    if s == -1 and ss12 == -1:
        print("内存空间不足！")
        return
    for i in range(0, len(li)):
        p = li[i]
        if p.start == s:
            node2 = Memory(p.start + work_length, p.end, p.length - work_length, 1, 0)  # 未分配
            a = Memory(p.start, p.start + work_length - 1, work_length, state=0, ID=work_id)
            del li[i]
            li.insert(i, node2)
            li.insert(i, a)
            show_memory(li)
            return
        elif p.start == ss12:
            p.state = 0
            show_memory(li)
            return


# 主函数
if __name__ == '__main__':
    print("输入内存大小：")
    size = int(input())
    a = Memory(0, size - 1, size, state=1, ID=0)
    b = []
    b.append(a)
    print('*******1：初始化******')
    print('*******2：分配空间（FF\BF）****')
    print('*******3：回收********')
    print('*******4：查看********')
    print('*******5：退出********')
    while (True):
        select = input('请输入想要执行的功能：')
        if select == '5':
            break
        elif select == '1':
            print("输入内存大小：")
            size = int(input())
            a = Memory(0, size - 1, size, state=1, ID=0)
            b = []
            b.append(a)
        elif select == '2':
            print("1.首次适应算法：FF")
            print("2.最佳适应算法：BF")
            x = input("请输入分配执行的算法：")
            x = float(x)
            repit = 'Y'
            while (repit == 'Y'):
                if x == 1:
                    work_size = input('请输入作业id和大小：').split()
                    FF(work_size[0], int(work_size[1]), b)
                    repit = input('是否继续（Y/N）：')
                elif x == 2:
                    work_size = input('请输入作业id和大小：').split()
                    BF(work_size[0], int(work_size[1]), b)
                    repit = input('是否继续（Y/N）：')
        elif select == '3':
            id_delete = input('请输入删除作业id：')
            free1(id_delete, b)
        else:
            show_memory(b)

四、实验结果

BF算法有一点小毛病儿：两个相同的分区，比如2个20，这个BF是从末尾地址开始分配的；不能这样写，应该从低地址开始分配。

   

五、实验总结

动态分区分配算法包括如下4种算法：首次适应算法（First Fit）、最佳适应算法（Best Fit）、最坏适应算法（Worst Fit）、临近适应算法（Next Fit）。

动态分区管理方式，在初始时不将主存划分区域，而是把占用区域外的空间看作一个大的空闲区。当作业要求装入主存时，根据作业的大小查询主存内各空闲区的状态，按照特定的算法选择一个合适的空闲区，按作业大小划分出一个分区并装入该作业，剩下的区域作为新的空闲区。

当作业执行完毕后，所占用的主存空间将被回收，成为一个空闲区；如果该空闲区的相邻分区也是空闲区，则需要将相邻空闲区合并成一个空闲区。

   通过本次实验，我对动态分区分配算法有了更深的理解，将4种算法的特点整理如下：

算法	算法思想	分区排列顺序	优点	缺点
首次适应算法	从头到尾寻找合适的分区	空闲分区以地址递增次序排列	综合看，首次适应算法性能最好。算法开销小，回收分区后，一般不需要对空闲分区队列重新排序	略！
最佳适应算法	优先使用更小的分区，以保留更多的大分区	空闲分区以容量递增次序排列	会有更多的大分区被保留下来，更能满足大进程需求	会产生很多太小的、难以利用的碎片：算法开销大，回收分区后可能需要对空闲分区队列重新排序
最坏适应算法	优先使用更大的分区，以防止产生太小的不可用碎片	空闲分区以容量递减次序排列	可以减少难以利用的小碎片	大分区容易被用完，不利于大进程：算法开销大（原因同上）
临近适应算法	由首次适应算法演变而来，每次从上次查找结束的位置开始查找	空闲分区以地址递增次序排列（可排列成循环链表）	不用每次都从低地址的小分区开始检索。算法开销小（原因同首次适应算法）	会使高地址的大分区也被用完