操作系统 内存管理之动态动态分区分配算法 原理+代码实现

动态分区分配是指在系统运行的过程中建立分区，并使分区的大小刚好与作业的大小相等。

分区的分配：
系统初启后，除操作系统占用一个分区外，其余存储区为一个大的空闲区。
分区的分配是指系统根据用户的请求，在空闲分区表或空闲分区队列中寻找一个满足用户要求的空闲分区，把这个空闲分区分配给用户。
以空闲分区表为例，当用户要求一个大小为SIZE的存储空间时，系统查询空闲分区表，找一个大于或等于SIZE的空闲区。

分配时的三种情况：
一是系统中无满足要求的空闲分区，则分配失败。
二是空闲区大小与SIZE相等，则修改空闲分区表相应表目，向用户返回该空闲分区首址，表示此空闲分区已分给了要求的用户。
其三是空闲分区大于SIZE，这时将空闲分区一分为二。
将一个空闲分区分成二部分有两种办法：
从空闲分区的上部开始划出SIZE大小的空闲分区给用户；
从空闲分区的底部开始向上划出SIZE大小的空闲分区给用户。
在下面的代码中所采取的是第二种办法，因为这样比较方便，只需要修改空闲分区的大小即可，而不需要修改首地址。

分区的回收：
当某个进程释放某存储区时，系统首先检查释放区是否与系统中的空闲区相邻，若相邻则把释放区合并到相邻的空闲区中去，否则把释放区作为一个空闲区插入到空闲分区表的适当位置。

模拟对1MB内存的管理，实现步骤如下：
1、定义一个结构体表示空闲内存块的信息，包括内存块的起始地址和内存块的大小；定义另外一个结构体来表达进程的信息，包括进程的id、进程的大小和进程被分配内存的起始位置。分别用一个长度为1000的结构体数组表示所有空闲内存块和进程的信息。

struct Memory_block
{
    int st;
    int amount;   
}m[1000];//内存块的首地址和大小。
struct Progress
{
    int id;
    int amount;
    pair<int, int> st_ed;
}p[1000];

2、空闲内存块初始化数量为1，起始地址为0，大小为1024。
3、程序输入格式的规定，第一行先输入一个正整数n表示操作的次数，第二行输入本次程序运行要使用的适应算法。
接下来输入n个操作：操作为申请内存或者释放内存，如果想为某一进程申请内存，则在当前行输入in，然后在下一行以空格为间隔输入两个整数，分别代表进程的id和大小(kb)；如果想结束某个进程并释放内存，则在当前行输入out，然后在下一行输入要释放进程的id。
3、当释放某一进程的内存时，先判断是否有和这片内存紧密相邻(即两者之间没有空隙)的空闲内存块。如果有，则进行相应的合并操作，将这片内存合并到空闲内存块中；如果没有，则生成一个新的空闲内存块，内存块的首地址为该片内存的首地址，大小为该片内存的大小。释放内存的方法是通用的，不受分配内存时使用的算法种类影响。
4、当为某一进程申请内存时：
①first-fit算法：按照首地址从前往后遍历空闲内存块，如果发现当前内存块大小能够满足该进程，则将该进程分配到当前内存块中，并break退出循环。如果所有内存块大小都小于该进程，则分配失败。
②best-fit算法：遍历所有的空闲内存块，找到能够满足该进程的最小的内存块，并将该进程分配到这个内存块中。如果所有内存块大小都小于该进程，则分配失败。
③worst-fit算法：遍历所有空闲内存块，找到最大的那个内存块，将该进程分配到这个内存块中。如果所有内存块大小都小于该进程，则分配失败。
测试输入：
7
first-fit
in
1 400
in
2 100
in
3 200
in
4 10
out
3
out
1
in
5 100
经整理后的输出结果：

附完整代码：

#include 
#include 
using namespace std;
const int MAX=1024;
const int INF=0x3f3f3f3f;
struct Memory_block
{
    int st;
    int amount;   
}m[1000];//内存块的首地址和大小。
int cnt_m=0;//内存块的数量。

struct Progress
{
    int id;
    int amount;
    pair<int, int> st_ed;
}p[1000];
int cnt_p=0;//进程的数量。


bool cmp1(Memory_block m1,Memory_block m2)
{
    return m1.st<m1.st;
}

void showInfos()
{   
    cout<<"---empty memory section (start,amount) :"<<endl;
    for(int i=0; i<cnt_m; i++)
    {
        if(m[i].amount>0)
        {
            printf( "---(%d,%d)\n", m[i].st, m[i].amount);
        }
    }
    cout<<endl;
    cout<<"---progress in memory (start, end) :"<<endl;
    for(int i=0; i<cnt_p; i++)
    {
        printf( "---id:%d (%d,%d)\n", p[i].id, p[i].st_ed.first, p[i].st_ed.second);
    }
}

void first_fit(Progress &p)
{
    for(int i=0;i<cnt_m;i++)
    {
        if(m[i].amount>=p.amount)
        {
            p.st_ed.second = m[i].st + m[i].amount;
            p.st_ed.first = p.st_ed.second - p.amount;
            m[i].amount-= p.amount;
            
            printf("---progress %d get memory from %d to %d\n", p.id, p.st_ed.first, p.st_ed.second);
            return ;
        }
    }
    printf("---applying for memory failed\n");
}

void best_fit(Progress &p)
{
    int minm=INF;
    int x=-1;
    for (int i=0; i<cnt_m; i++)
    {
        if(m[i].amount>=p.amount&&minm>m[i].amount)
        {
            minm=m[i].amount;
            x=i;
        }
    }
    if(x==-1)
    {
        printf("---applying for memory failed\n");
        return ;
    }
    p.st_ed.second = m[x].st + m[x].amount;
    p.st_ed.first = p.st_ed.second - p.amount;
    m[x].amount-= p.amount;
    printf("---progress %d get memory from %d to %d\n", p.id, p.st_ed.first, p.st_ed.second);
}

void worst_fit(Progress &p)
{
    int maxm=-1;
    int x=-1;
    for(int i=0; i<cnt_m; i++)
    {
        if(m[i].amount>maxm)
        {
            maxm=m[i].amount;
            x=i;
        }
    }
    if(x!=-1 && m[x].amount >= p.amount)
    {
        p.st_ed.second = m[x].st + m[x].amount;
        p.st_ed.first = p.st_ed.second - p.amount;
        m[x].amount-= p.amount;
        printf("---progress %d get memory from %d to %d\n", p.id, p.st_ed.first, p.st_ed.second);
    }
    else 
    {
        printf("---applying for memory failed\n");
    }
}

void release(int id)
{
    int st, ed, amount;
    bool flag=true;
    for (int i = 0; i < cnt_p; i++)
    {   
        if(p[i].id==id)
        {
            st=p[i].st_ed.first;
            ed=p[i].st_ed.second;
            amount=p[i].amount;
            p[i].st_ed.first=-1;
            p[i].st_ed.second=-1;
            flag=false;
            break;
        }
    }
    if(flag)
    {
        cout<<"---releasing the memory failed"<<endl;
        return ;
    }
    int last = -1;
    for (int i = 0; i < cnt_m; i++)
    {
        if(m[i].st + m[i].amount == st)
        {
            last=i;
            break;
        } 
    }
    int next = -1;
    for (int i = 0; i < cnt_m; i++)
    {
        if(m[i].st  == ed)
        {
            next=i;
            break;
        } 
    }
    if(next!=-1 && last!=-1)
    {
        m[last].amount+= amount+m[next].amount;
        m[next].amount=0;
    }
    else if(last != -1)
    {
        m[last].amount+= amount;
    }
    else if(next != -1)
    {
        m[next].st=st;
        m[next].amount+=amount;
    }
    else 
    {
        m[cnt_m++]={st,amount};
        sort (m, m+cnt_m, cmp1);
    }
    printf("---progress %d has been moved out of memory\n", id);
}
int main()
{
    m[cnt_m++]={0,MAX};
    cout<<"--please input the count of operations:"<<endl;
    int t;
    cin>>t;
    string type;
    cout<<"--please input the type of algorithm, best-fit, worst-fit, or first-fit:"<<endl;
    cin>>type;
    while (t--)
    {
        cout<<"--please input the type of this operation:"<<endl;
        //输入in代表为某个新进程申请内存
        //输入out代表将某个旧进程的内存释放
        string s;
        cin>>s;
        if(s=="in")
        {
            cout<<"--please input the id and the amount of this progress:"<<endl;
            int id;
            int amount;
            cin>>id>>amount;
            p[cnt_p++]={id,amount};
            if(type == "first-fit")
            {
                first_fit(p[cnt_p-1]);
            }
            else if(type == "worst-fit")
            {
                 worst_fit(p[cnt_p-1]);
            }
            else if(type == "best-fit")
            {
                best_fit(p[cnt_p-1]);
            }
            else
            {
                cout<<"error input!"<<endl;
            }
        }
        else if(s=="out")
        {
            cout<<"--please input the id of the progress:"<<endl;
            int id;
            cin>>id;
            release(id);
        }
        else 
        {
            cout<<"error in inputing!"<<endl;
        }
    }
    cout<<endl;
    showInfos();
}