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内存的连续分配与回收算法

2013年08月16日 ⁄ 综合 ⁄ 共 6999字 ⁄ 字号 评论关闭

几点说明:

部分代码参考《数据结构》教材。

1、采用空闲分区链链接空闲分区,用循环首次适应算法分配内存。

 

2、假定内存块的大小、地址以“字”为单位计。空闲区、作业区边界采用标识。

“字”的数据结构如下:

leftLink

tag

size

rightLink

空闲空间

upLink

tag

 

 

3、分配内存时,将符合要求的空闲区的高地址部分分配给作业,以减少修改指针的操作。

 

4、源程序:

// 空闲分区链,边界标识法
// 循环首次适应算法

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#define NDEBUG
#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cassert>
using namespace std;

const int MIN_REMAIN  = 3;		// 不保留<=MIN_REMAIN的剩余量
const int MEMORY_SIZE = 128;	// 内存空间大小(以字计)

enum State{FREE, ALLOC};		// 块标志:空闲FREE,占用ALLOC

struct Word {
	union {
		Word *leftLink;			// 头部:指向前驱结点
		Word *upLink;			// 尾部:指向本结点头部
	};
	State tag;					// 头部、尾部:都设块标志
	unsigned int size;			// 头部:块大小
	Word *rightLink;			// 头部:指向后继结点

	// 默认构造函数
	Word()
		:leftLink(NULL),		// 共用体只初始化一个成员即可
		tag(FREE),
		size(0),
		rightLink(NULL){}
}memory[MEMORY_SIZE];			// 假设内存总量为MEMORY_SIZE个字

struct Job {
	string name;
	unsigned int size;
};

// 返回front所指向结点的尾部的地址。
inline Word * FootLoc(Word *front)	// inline?
{
	return front + front->size - 1;
}

// 初始只有一块空闲区,初始化它的首字和尾部,pav指向首字。
// 建立双向循环链表,不带头结点。
void Initiate(Word *&pav)
{
	pav = memory;	// 表中不设表头结点,表头指针pav可以指向表中任一结点

	// 头部
	pav->leftLink = memory;
	pav->rightLink = memory;
	pav->size = MEMORY_SIZE;
	pav->tag = FREE;

	// 尾部
	FootLoc(pav)->upLink = memory;
	FootLoc(pav)->tag = FREE;
}

// 若有不小于n的空闲块,则分配相应的存储块,并返回其首地址;
// 否则返回NULL。
// 若分配后可利用空间表不空,则pav指向表中刚分配过的结点的后继结点。
// n应>=3,包括头尾两个字,而实际分配时忽略不计?
Word * AllocBoundTag (Word *&pav, unsigned int n)
{
	if (n <= 2)	{
		cout << "n<=2,不能分配空间!" << endl;
		return NULL;
	}
	Word *p = NULL;
	for (p = pav;
		NULL != p && p->size < n && p->rightLink != pav;
		p = p->rightLink);			// 查找不小于n的空闲块
	if (NULL == p || p->size < n)
	{
		cout << "内存可用空间不够,请先释放内存。" << endl;
		return NULL;				// 找不到,返回空指针
	}

	// p指向找到的空闲块
	Word *f = FootLoc(p);			// 指向底部
	pav = p->rightLink;				// “循环”:pav指向*p结点的后继结点
	if (p->size - n <= MIN_REMAIN) {	// 整块分配,不保留<=MIN_REMAIN的剩余量
		if (pav == p) {
			pav = NULL;				// 可利用空间表变为空表
		}
		else {						// 在表中删除分配的结点
			pav->leftLink = p->leftLink;
			p->leftLink->rightLink = pav;
		}
		p->tag = ALLOC;
		f->tag = ALLOC;			    // 修改分配结点的头部和底部标志
	}
	else {                          // 分配该块的后n个字使剩余块头部:leftLink, tag, rightLink不变
		f->tag = ALLOC;				// 分配块尾部:tag
		//f->upLink = FootLoc(p) + 1;	// 分配块尾部:upLink
		p->size -= n;               // 剩余块头部:size
		// 剩余块头部:leftLink, tag, rightLink不变
		f = FootLoc(p);             // f指向剩余块尾部
		f->tag = FREE;				// 剩余块尾部:tag
		f->upLink = p;				// 剩余块尾部:upLink
		p = f + 1;                  // p指向分配块头部
		p->tag = ALLOC;				// 分配块头部:tag
		p->size = n;					// 分配块头部:size
		//p->leftLink = NULL;			// 分配块头部:leftLink
		//p->rightLink = NULL;			// 分配块头部:rightLink
	}
	return p;                       // 返回分配块首地址
}

// 1、前后相邻区都是作业
void Recycle_AA(Word *&pav, Word *&p)
{
	p->tag = FREE;					// 回收区头部:tag
	// 回收区头部:size 原来就存在
	FootLoc(p)->upLink = p;			// 回收区尾部:upLink
	FootLoc(p)->tag = FREE;			// 回收区尾部:tag
	if (NULL == pav)
	{
		pav = p;
		p->leftLink = p;				// 回收区头部:leftLink
		p->rightLink = p;			// 回收区头部:rightLink
	} 
	else
	{
		// 将p插到pav之前(双向链表的插入操作)
		p->rightLink = pav;				// 回收区头部:rightLink
		p->leftLink = pav->leftLink;		// 回收区头部:leftLink
		pav->leftLink->rightLink = p;	// pav的前驱头部:rightLink
		pav->leftLink = p;				// pav的头部:leftLink

		pav = p;	// 令刚释放的结点为下次分配时的最先查询的结点
	}
}

// 2、前空闲,后作业
void Recycle_FA(Word *&p)
{
	unsigned int n = p->size;	// 释放块的大小
	Word *s = (p - 1)->upLink;	// 左邻空闲区的头部地址
	s->size += n;				// 设置新的空闲块大小
	Word *f = p + n - 1;			// 设置新的空闲块底部
	f->upLink = s;
	f->tag = FREE;
}

// 3、前作业,后空闲
void Recycle_AF(Word *&p)
{
	Word *t = p + p->size;		// t指向右邻空闲区的头部
	FootLoc(t)->upLink = p;		// 右邻空闲区头部:upLink
	p->size += t->size;			// 回收区头部:size
	p->tag = FREE;				// 回收区头部:tag
	p->leftLink = t->leftLink;	// 回收区头部:leftLink
	t->leftLink->rightLink = p;	// 原来右邻区的前驱头部:rightLink
	p->rightLink = t->rightLink;// 回收区头部:rightLink
	t->rightLink->leftLink = p;	// 原来右邻区的后继头部:leftLink
}

// 4、前后相邻区都是空闲区
void Recycle_FF(Word *&p)
{
	unsigned int n = p->size;	// 回收区大小
	Word *s = (p - 1)->upLink;	// 指向左邻块,即新结点头部
	Word *t = p + p->size;		// 指向右邻块
	s->size += n + t->size;		// 设置新结点大小

	// 删除右邻空闲块结点(双向链表的删除操作)
	t->leftLink->rightLink = t->rightLink;	// s不一定等于t->leftLink
	t->rightLink->leftLink = t->leftLink;

	FootLoc(t)->upLink = s;		// 新结点尾部:upLink指向其头部
}

// 释放首地址为p的作业(头部中含该作业的大小信息)
void Recycle(Word *&pav, Word *p)
{
	if (!(memory <= p && p < memory + MEMORY_SIZE))
	{
		cout << "释放区首地址越界!" << endl;
		return;
	}

	Word *low = p - 1;			// 与其低地址紧邻的内存区的底部地址
	Word *high = p + p->size;	// 与其高地址紧邻的内存区的头部地址
	State lowTag = low->tag;
	State highTag = high->tag;
	if (low < memory)			// 当p是内存的第一块时
	{
		lowTag = ALLOC;
	}
	if (high >= memory + MEMORY_SIZE)	// 当p是内存的最后一块时
	{
		highTag = ALLOC;
	}

	// 前后相邻区都是作业
	if (ALLOC == lowTag && ALLOC == highTag)
	{
		Recycle_AA(pav, p);
	}
	// 前空闲,后作业
	else if (FREE == lowTag && ALLOC == highTag)
	{
		Recycle_FA(p);
	}
	// 前作业,后空闲
	else if (ALLOC == lowTag && FREE == highTag)
	{
		Recycle_AF(p);
	}
	// 前后相邻区都是空闲区
	else if (FREE == lowTag && FREE == highTag)	
	{
		Recycle_FF(p);
	}
}

// 输出内存中各区的信息
void PrintMInfo(map<Word *, string> &jobAddrToName)
{
	cout << "\n************************************" << endl;
	cout << "起址\t大小\t状态\t(作业名)" << endl;
	for (Word *p = memory; p < memory + MEMORY_SIZE; p += p->size)
	{
		cout << p - memory << "\t"
			<< p->size << "\t"
			<< p->tag << "\t"
			<< (p->tag == ALLOC ? jobAddrToName[p] : "(空闲)")
			<< endl;
	}
	cout << "************************************\n" << endl;
}

int Flag(const string &option)
{
	if (option == "1") return 1;
	if (option == "2") return 2;
	if (option == "3") return 3;
	return 0;
}

int main(int argc, char **argv)
{
	freopen("cin.txt", "r", stdin);
	map<string, Word *> jobNameToAddr;	// 根据作业名得到它的地址
	map<Word *, string> jobAddrToName;	// 根据作业地址得到它的名称
	Word *pav = NULL;					// pav为查询指针
	Initiate(pav);
	string option;
	do
	{
		PrintMInfo(jobAddrToName);
		cout << "请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出" << endl;
		cin >> option;
		switch (Flag(option))
		{
		case 1:
			{ // 防止error C2374:初始化操作由“case”标签跳过
				cout << "请输入作业名和作业大小:" << endl;
				Job myJob;
				cin >> myJob.name >> myJob.size;
				Word *addr = AllocBoundTag(pav, myJob.size);
				if (addr == NULL)	// 分配失败
				{
					break;
				}

				jobNameToAddr[myJob.name] = addr;
				jobAddrToName[addr] = myJob.name;
				break;
			}

		case 2:
			{
				cout << "请输入要回收的作业名称:" << endl;
				string name;
				cin >> name;
				Word *addr = jobNameToAddr[name];	// 用户释放的内存区的头部地址为addr
				if (NULL == addr)
				{
					cout << "作业" << name << "不存在,无法释放!" << endl;
					break;
				}
				Recycle(pav, addr);

				int cnt = jobAddrToName.erase(addr);
				assert(cnt == 1);
				cnt = jobNameToAddr.erase(name);
				assert(cnt == 1);
				break;
			}

		case 3:
			return 0;

		default:
			cout << "输入错误!请重新输入。" << endl;
			break;
		}
	} while (true);

	return 0;
}

/* cin.txt

1
J5 96

1
J2 6

1
J4 12

1
J3 4

1
J1 5

1
OS 5

2
J4

2
J5

2
J3

1
J6 20

3

*/

 

5、运行结果:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       128     0       (空闲)
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入作业名和作业大小:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       32      0       (空闲)
32      96      1       J5
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入作业名和作业大小:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       26      0       (空闲)
26      6       1       J2
32      96      1       J5
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入作业名和作业大小:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       14      0       (空闲)
14      12      1       J4
26      6       1       J2
32      96      1       J5
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入作业名和作业大小:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       10      0       (空闲)
10      4       1       J3
14      12      1       J4
26      6       1       J2
32      96      1       J5
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入作业名和作业大小:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       5       0       (空闲)
5       5       1       J1
10      4       1       J3
14      12      1       J4
26      6       1       J2
32      96      1       J5
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入作业名和作业大小:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       5       1       OS
5       5       1       J1
10      4       1       J3
14      12      1       J4
26      6       1       J2
32      96      1       J5
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入要回收的作业名称:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       5       1       OS
5       5       1       J1
10      4       1       J3
14      12      0       (空闲)
26      6       1       J2
32      96      1       J5
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入要回收的作业名称:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       5       1       OS
5       5       1       J1
10      4       1       J3
14      12      0       (空闲)
26      6       1       J2
32      96      0       (空闲)
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入要回收的作业名称:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       5       1       OS
5       5       1       J1
10      16      0       (空闲)
26      6       1       J2
32      96      0       (空闲)
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请输入作业名和作业大小:

************************************
起址    大小    状态    (作业名)
0       5       1       OS
5       5       1       J1
10      16      0       (空闲)
26      6       1       J2
32      76      0       (空闲)
108     20      1       J6
************************************

请选择:1、分配内存  2、回收内存  3、退出
请按任意键继续. . .

 

 

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