【操作系统】实验四 动态分区存储管理方式的主存分配回收

一、实验目的

深入了解动态分区存储管理方式主存分配回收的实现。

二、实验内容

完成下列之一：

①验证最佳适应算法；

②编程实现首次适应算法的主存分配和回收；

③编程实现循环首次适应算法的主存分配和回收；

④编程实现最差适应算法的主存分配和回收。

三、实验指导

动态分区管理方式预先不将主存划分成几个区域，而把主存除操作系统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，根据作业需要主存空间的大小查询主存内各个空闲区，当从主存空间中找到一个大于或等于该作业大小的主存空闲区时，选择其中一个空闲区，按作业需求量划出一个分区装入该作业。作业执行完后，它所占的主存分区被收回成为一个空闲区。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。

    实现动态分区的分配和回收，主要考虑的问题有三个：第一。设计记录主存使用情况的数据表格，用来记录空闲区和作业占用的区域；第二，在设计的数据表格基础上设计主存分配算法；第三，在设计的数据 表格基础上设计主存回收算法。

    首先考虑第一个问题：设计记录主存使用情况的数据表格，用来记录空闲区和作业占用的区域。

由于动态分区的大小是由作业需求量决定的，故分区的长度是预先不固定的，且分区的个数也随主存分配和回收变动。总之。所有分区情况随时可能发生变化，数据表格的设计必须和这个特点相适应。由于分区长度不同，因此设计的表格应该包括分区在主存中的起始地址和长度。由于分配时空闲区有时会变成两个分区：空闲区和已分分区，回收主存分区时，可能会合并空闲分区，这样如果整个主存采用一张表格记录已分分区和空闲区，就会使表格操作繁琐。主存分配时查找空闲区进行分配，然后填写已分配区表，主要操作在空闲区；某个作业执行完后，将该分区变成空闲区，并将其与相邻的空闲区合并，主要操作也在空闲区。由此可见，主存的分配和回收主要是对空闲区的操作，这样为了便于对主存空间的分配和回收，就建立两张分区表记录主存使用情况，一张表格记录作业占用分区的“已分配区表”；一张是记录空闲区的“空闲区表”。这两张表的实现方法一般有两种，一种是链表形式，一种是顺序表形式。在实验中，采用顺序表形式，用数组模拟。由于顺序表的长度必须提前固定，所以无论是“已分配区表”还是“空闲区表”都必须事先确定长度。它们的长度必须是系统可能的最大项数，系统运行过程中才不会出错。因而在多数情况下，无论是“已分配区表”，还是“空闲区表”都有空闲栏目。已分配区表中除了分区起始地址、长度外，也至少还要有一项“标志”，如果是空闲栏目，内容为空，如果为某个作业占用分区的登记项，内容为该作业的作业名；空闲区表除了分区起始地址,长度外，也要有一项“标志”，如果是空闲栏目，内容为空，如果为某个空闲区的登记项，内容“未分配”，在实际系统中,这两表格的内容可能还要多，实际中仅仅使用上述必须的数据。为此，“已分配区表”和“空闲区表”在实验中有如下的结构定义。

    已分配区表的定义：

#define n 10     //假定系统允许的最大作业数量为n

struct  {

float address;    //已分分区起始地址

   float length;      //已分分区长度,单位为字节

   int flag; //已分配区表登记栏标志."0"表示空栏目

//实验中只支持一个字符的作业名

}used_table[n];   //已分配区表

空区表的定义：

#define m 10

struct  {

float address;    //空闲区起始地址

   float length;     //空区长度,单位为字节

   int flag;         //空闲区表登记栏标志."0"表示空栏目,用"1"表示未分配

} free_table[m];    //空闲区表

其中分区起始地址和长度数值太大，超出了整型表达范围，所以采用float类型。然后，就要考虑如何在设计的数据表格上进行主存的分配。

当要装入一个作业时，从空闲区表中查找标志为“未分配”的空闲区，从中找出一个能容纳该作业的空闲区。如果找到的空闲正好等于该作业的长度，则把该分区全部分配给作业。这时应该把该空闲区登记栏中的标志改为空，同时在已分配区表中找到一个标志为空的栏目登记新装入作业所占用分区的起始地址，长度和作业名。如果找到的空闲区大于作业长度，则把空闲区的长度，且把空闲区分成两部分，一部分用来装入作业，另外一部分仍为空闲区，这时只要修改原空闲区的长度，且把新装入的作业登记到已分配去表中。

    实验中主存分配算法采用“最优适应”算法。最优适应算法是按作业要求挑选一个能满足作业要求的最小空闲区，这样保证可以不去分割一个大的区域，使装入大作业时比较容易得到满足，但是最优适应算法容易出现找到的一个分区可能只比作业所要求的长度略大一点的情况，这时，空闲区分割后剩下的空闲区就很小，这种很小的空闲区往往就无法使用，影响了主存的使用。为了一定程度上解决这个问题，如果空闲区的打下比作业要求的长度略大一点，不再将空闲区分成已分区和空闲分区两部分，而是将整个空闲区分配给作业。在实现最优算法时，可把空闲区按长度以递增的方式登记在空闲去表中。分配时顺序查找空闲表,查找到的第一个空闲区就是满足作业要求的最小分区。这样查找速度快，但是为使空闲区按长度以递增顺序登记在空闲区表中，就必须在分配回收时进行空闲区表的调整，空闲区表调整时移动表目的代价要高于查询整张表的代价，所以实验中不采用空闲区有序登记在空闲表中的方法。

    最后是动态分区方式下的主存回收问题。动态分区方式下回收主存空间时，应该检查是否有归还区相邻的空闲区。若有，则应合并成一个空闲区。一个归还区可能有上邻空闲区，也可能有下邻空闲区，或者既有上邻空闲区又有下邻空闲区，或者既无上邻空闲区也无下邻空闲区。在实现回收时，首先将作业归还的区域在已分配表中找到，将该栏目的状态变为“空”，然后检查空闲区表中标志为“未分配”的栏目，查找是否有相邻空闲区；最后，合并空闲区，修改空闲区表。假定作业归还的分区起始地址为S，长度为L，则：

（1）归还区有下邻空闲区

    如果S+L正好等于空闲区表中某个登记栏目（假定为第j栏）的起始地址，则表明归还区有一个下邻空闲区。这时只要修改第j栏登记项的内容：

    起始地址=S；

    第j栏长度=第j栏长度+L；

    则第j栏指示的空闲区是归还区和下邻空闲区合并后的大空闲区。

（2）归还区有上邻空闲区

    如果空闲区表中某个登记栏目（假定为第k栏）的“起始地址+长度”正好等于S，则表明归还区有一个上邻空闲区。这时要修改第k栏登记项的内容（起始地址不变）；

   第k栏长度=第k栏长度+L；

    于是第k栏指示的空闲区是归还区和上邻空闲区合并后的大空闲区。

（3）归还区既有上邻空闲区又有下邻空闲区

    如果S+L正好等于空闲区表中某个登记栏目（假定为第j栏）的起始地址，同时还有某个登记栏目（假定为第k栏）的“起始地址+长度”正好等于S，这表明归还区既有一个上邻空闲区又有一个下邻空闲区。此时对空闲区表的修改如下：

    第k栏长度=第k栏长度+第j栏长度+L；（第k栏起始地址不变）

    第j栏状态=“空”；（将第j栏长度登记项删除）

    这样，第k栏指示的空闲区是归还区和上、下邻空闲区合并后的大空闲区；原来的下邻空闲区登记项（第j 栏）被删除，置为“空”。

（4）归还区既无上邻空闲区又无下邻空闲区

如果在检查空闲区表时，无上述三种情况出现，则表明归还区既无上邻空闲区又无下邻空闲区。这时，应该在空闲区表中查找一个状态为“空”的栏目（假定查到的是第t栏），则第t栏的内容修改如下：

  第t栏起始地址=S；

  第t栏长度=L；

  第t栏状态=“未分配”

  这样，第t栏指示的空闲区是归还区。

     由于是实验，没有真正的主存要分配，所以在实验中，首先应建立一张空闲表，初始状态只有一个空闲登记项（假定的主存空闲区）和一张所有状态都为“空”的已分配区表，假定主存空间110KB，操作系统占用10KB，其余为空闲区；然后，可以选择进行主存分配或主存回收，如果是分配，要求输入作业名和所需主存空间大小，如果是回收，输入回收作业的作业名，循环进行主存分配和回收后，如果需要，则显示两张表的内容，以检查主存的分配和回收是否正确。

    动态分区方式的主存分配程序如下：

#include

#include

#define n   10     //假定系统允许的最大作业数量为n

#define m   10     //假定系统允许的空闲区表最大为m

#define minisize 100

struct  {

float address;     //已分分区起始地址

float length;      //已分分区长度，单位为字节

int flag;          //已分配区表登记栏标志，用“0”表示空栏目

}used_table[n];    //已分配区表

struct  {

float address;     //空闲区起始地址

float length;      //空闲区长度，单位为字节

int flag; //已分配区表登记栏标志，用“0”表示空栏目，用“1”表示未分配

}free_table[m];    //空闲区表

void allocate(char J,float xk) //采用最优分配算法分配xk大小的空间

{

int i,k;

float ad;

k=-1;

for(i=0;i

if(free_table[i].length>=xk&&free_table[i].flag==1)

  if(k==-1||free_table[i].length

  k=i;

if(k==-1)   {      //未找到可用空闲区，返回

printf("无可用空闲区\n");

return;

}

//找到可用空闲区，开始分配：若空闲区大小与要求分配的空间差小于minisize大小，则空闲区全部分配；若空闲区大小与要求分配的空间差大于minisize大小，则从空闲区划出一部分分配

if(free_table[k].length-xk<=minisize) {

free_table[k].flag=0;

  ad=free_table[k].address;

xk=free_table[k].length;

}

else  {

free_table[k].length=free_table[k].length-xk;

  ad=free_table[k].address+free_table[k].length;

}

//修改已分配区表

i=0;

while(used_table[i].flag!=0&&i

i++;

if(i>=n) {    //无表目填写已分分区

printf("无表目填写已分分区，错误\n");

//修正空闲区表

if(free_table[k].flag==0) //前面找到的是整个空闲区

free_table[k].flag=1;

else                 //前面找到的是某个空闲区的一部分

free_table[k].length=free_table[k].length+xk;

return;

}

else  {               //修改已分配区表

used_table[i].address=ad;

used_table[i].length=xk;

used_table[i].flag=J;

}

return;

} //主存分配函数结束

void reclaim(char J) //回收作业名为J的作业所占主存空间

{

int i,k,j,s,t;

float S,L;

s=0; //寻找已分配区表中对应登记项

while((used_table[s].flag!=J||used_table[s].flag==0)&&s

s++;

if(s>=n) {//在已分配区表中找不到名字为J的作业

printf("找不到该作业\n");

return;

}

//修改已分配区表

used_table[s].flag=0;

//取得归还分区的起始地址S和长度L

S=used_table[s].address;

L=used_table[s].length;

j=-1;k=-1;i=0;

//寻找回收分区的上下邻空闲区,上邻表目k,下邻表目j

while(i

if(free_table[i].flag==0)  {

if(free_table[i].address+free_table[i].length==S)k=i;//找到上邻

   if(free_table[i].address==S+L)

   j=i;//找到下邻

}

i++;

}

if(k!=-1)

if(j!=-1)  {   //上邻空闲区,下邻空闲区,三项合并

free_table[k].length=free_table[j].length+free_table[k].length+L;

free_table[j].flag=0;

}

else        //上邻空闲区,下邻空闲区,与上邻合并

free_table[k].length=free_table[k].length+L;

else

if(j!=-1)  {   //上邻非空闲区,下邻为空闲区,与下邻合并

free_table[j].address=S;

  free_table[j].length=free_table[j].length+L;

}

else   {    //上下邻均非空闲区,回收区域直接填入                        

t=0;     //在空闲区表中寻找空栏目

while(free_table[t].flag==1&&t

t++;

if(t>=m)  {   //空闲区表满,回收空间失败,将已分配区表复原

printf("主存空闲表没有空间,回收空间失败\n");

used_table[s].flag=J;

return;

}

free_table[t].address=S;

free_table[t].length=L;

free_table[t].flag=1;

}

return;

}    //主存归还函数结束

int main()

{

int i,a;

float xk;

char J;

//空闲区表初始化

free_table[0].address=10240;

free_table[0].length=102400;

free_table[0].flag=1;

for(i=1;i

free_table[i].flag=0;

//已分配区表初始化

for(i=0;i

used_table[i].flag=0;

while(1) {

printf("选择功能项(0-退出,1-分配主存,2-回收主存,3-显示主存):\n");

scanf("%d",&a);

switch(a)  {

case 0:

exit(-1);          //a=0程序结束

case 1:              //a=1分配主存空间

printf("输入作业名和作业所需长度:");

scanf("%*c%c%f",&J,&xk);

allocate(J,xk) ;  //分配主存空间

break;

case 2:         //a=2回收主存空间

printf("输入要回收分区的作业名:");

scanf("%*c%c",&J);

reclaim(J);         //回收主存空间

break;

case 3:        //a=3显示主存情况,输出空闲区表和已分配区表

printf("输出空闲区表:\n起始地址  分区长度  标志\n");

for(i=0;i

printf("%5.0f%10.0f%6d\n",

free_table[i].address,free_table[i].length,free_table[i].flag);

printf("输出已分配区表:\n起始地址  分区长度  标志\n");

for(i=0;i

if(used_table[i].flag!=0)

printf("%6.0f%9.0f%6c\n",

used_table[i].address,used_table[i].length,used_table[i].flag);

else

printf("%6.0f%9.0f%6c\n",

used_table[i].address,used_table[i].length,used_table[i].flag);

break;

default:

printf("没有该选项\n");

}//case

}//while

}//mian()结束