实验二：存储管理动态分区分配及回收算法
一、实验目的
分区管理是内存管理中广泛应用的一种技术，本实验要求使用结构化的高级语言（C/C++）模拟实现动态分区分配算法和回收算法。通过编写 First Fit 算法、Best Fit 算法以及空闲区回收算法，帮助理解不同分配算法的特点，并加深对内存管理的掌握。
二、实验要求
First Fit 分配算法：
实现 First Fit 分配算法，即从空闲区队列中寻找第一个足够大的空闲分区进行分配。
Best Fit 分配算法：
实现 Best Fit 分配算法，即从空闲区队列中寻找最适合的空闲分区进行分配，即剩余空间最小的空闲区。
空闲区回收算法：
实现空闲区回收算法，支持分配后回收内存区域，并将回收的内存区域正确地合并回空闲区队列。
三、实验过程
1.准备
A. 查阅相关资料主要内容包括：
内存管理原理：了解操作系统中内存的分配方式，特别是动态分区分配方法。
分配算法：深入理解 First Fit 和 Best Fit 分配算法的工作原理，优缺点，以及如何在内存管理中应用这些算法。
空闲区合并：了解如何处理内存回收时的空闲区合并问题，避免内存碎片。
C语言链表操作：学习如何在 C 语言中使用链表数据结构，管理空闲区。
B. 初步编写程序：
定义数据结构：定义 Node 结构体，用于表示每个内存分区，包括分区的起始地址、大小、指向下一个分区的指针。
实现空闲区链表的初始化：通过链表管理空闲内存区，初始时创建一块大内存区域，设置首地址为 0，大小为 32767。
实现分配算法：编写 First Fit 和 Best Fit 分配算法的具体实现，确保能够根据用户输入的分区大小进行分配。
实现回收算法：设计回收算法，能够在内存回收后合并相邻的空闲块。
打印空闲区链表的状态：每执行一次分配或回收操作后，打印当前空闲区链表的状态。
C. 准备测试数据：
初始空闲区的测试：测试在程序启动时，初始化一块空闲内存区域是否正确。
分配算法的测试：设计不同的申请内存大小，测试 First Fit 和 Best Fit 算法的表现，验证内存是否按照算法要求分配。
回收操作的测试：模拟回收内存并合并相邻空闲块，验证回收和合并功能是否正常工作。
边界测试：设计极端测试案例，如内存申请大小为 0、内存回收超出范围、空闲区链表为空时进行分配等，确保程序能够处理各种边界情况。
2.上机调试
- 主要流程和源代码
初始化一个空闲区，首地址为 0，大小为 32767。
提示用户选择分配算法：First Fit 或 Best Fit。
提示用户选择是进行分配还是回收操作。
如果是分配操作，要求输入申请区的大小；如果是回收操作，要求输入释放区的首地址和大小。
每执行一次分配或回收操作，输出空闲区队列的状态。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 分区描述器
typedef struct node {
int adr; // 分区起始地址
int size; // 分区大小
struct node *next; // 下一个分区
} Node;
// 全局指针
Node *head1 = NULL; // 空闲区队列头
Node *assign = NULL; // 指向申请到的分区
int free_size; // 用户申请大小
// 函数声明
void init_free_area(int total_size);
void print_free_list();
int check_release(int adr, int size);
void first_fit_allocate();
void best_fit_allocate();
void first_fit_release();
void best_fit_release();
void sort_free_list_by_addr();
// 主程序
int main() {
int choice, op;
init_free_area(32767); // 初始一块 0~32766 大小的空闲区
while (1) {
printf("\n请选择分配算法：1-First Fit 2-Best Fit 0-退出 ：");
scanf("%d", &choice);
if (choice == 0) break;
printf("1-分配 2-回收 ：");
scanf("%d", &op);
if (op == 1) {
printf("输入申请分区大小：");
scanf("%d", &free_size);
if (choice == 1) first_fit_allocate();
else best_fit_allocate();
} else if (op == 2) {
int adr, size;
printf("输入释放分区首址和大小：");
scanf("%d %d", &adr, &size);
if (!check_release(adr, size)) {
printf("释放区不合法，跳过。\n");
} else {
free_size = size;
// 先将这块释放区插入到空闲链表
Node *p = (Node *)malloc(sizeof(Node));
p->adr = adr;
p->size = size;
p->next = head1;
head1 = p;
// 再不同算法合并相邻空闲块
if (choice == 1) first_fit_release();
else best_fit_release();
}
} else {
printf("无效操作！\n");
}
print_free_list();
}
return 0;
}
// 初始化空闲区链表
void init_free_area(int total_size) {
head1 = (Node *)malloc(sizeof(Node));
head1->adr = 0;
head1->size = total_size;
head1->next = NULL;
printf("初始化空闲区链表，总大小 %d\n", total_size);
print_free_list();
}
// 打印空闲区链表
void print_free_list() {
printf("\n空闲区队列情况：\n");
printf("编号\t首址\t终址\t大小\n");
Node *p = head1;
int idx = 1;
while (p) {
printf("%d\t%d\t%d\t%d\n", idx, p->adr, p->adr + p->size - 1, p->size);
p = p->next; idx++;
}
}
// 检查释放区合法性（简单示例：首址>=0 且 size>0）
int check_release(int adr, int size) {
if (adr < 0 || size <= 0) return 0;
return 1;
}
// First Fit 分配
void first_fit_allocate() {
Node *p = head1, *prev = NULL;
while (p) {
if (p->size >= free_size) {
// 找到首个满足的块
assign = p;
break;
}
prev = p;
p = p->next;
}
if (!p) {
printf("没有合适的空闲区，无法分配！\n");
return;
}
printf("分配：起始地址 %d，大小 %d\n", assign->adr, free_size);
assign->adr += free_size;
assign->size -= free_size;
if (assign->size == 0) {
// 整块用完，从链表中移除
if (prev) prev->next = assign->next;
else head1 = assign->next;
free(assign);
}
}
// Best Fit 分配
void best_fit_allocate() {
Node *p = head1, *prev = NULL;
Node *best = NULL, *best_prev = NULL;
while (p) {
if (p->size >= free_size) {
if (!best || p->size < best->size) {
best = p;
best_prev = prev;
}
}
prev = p;
p = p->next;
}
if (!best) {
printf("没有合适的空闲区，无法分配！\n");
return;
}
printf("分配：起始地址 %d，大小 %d\n", best->adr, free_size);
best->adr += free_size;
best->size -= free_size;
if (best->size == 0) {
if (best_prev) best_prev->next = best->next;
else head1 = best->next;
free(best);
}
}
// First Fit 回收（合并相邻空闲区）
void first_fit_release() {
sort_free_list_by_addr();
Node *p = head1;
while (p && p->next) {
if (p->adr + p->size == p->next->adr) {
// 相邻，合并
p->size += p->next->size;
Node *tmp = p->next;
p->next = tmp->next;
free(tmp);
} else {
p = p->next;
}
}
}
// Best Fit 回收（逻辑同 First Fit，保留按大小查找特性，可以不排序）
void best_fit_release() {
// 回收时同样需要按地址合并，否则会产生碎片
first_fit_release();
}
// 按首址升序排序空闲链表（冒泡法）
void sort_free_list_by_addr() {
if (!head1 || !head1->next) return;
int swapped;
do {
swapped = 0;
Node **pp = &head1;
while ((*pp)->next) {
if ((*pp)->adr > (*pp)->next->adr) {
// 交换节点指针
Node *tmp = *pp;
*pp = tmp->next;
tmp->next = (*pp)->next;
(*pp)->next = tmp;
swapped = 1;
}
pp = &((*pp)->next);
}
} while (swapped);
}
4．遇到的主要问题和解决方法
A. 空闲区回收算法中的内存合并问题
在回收内存时，特别是在first_fit_release和best_fit_release中，我们尝试将相邻的空闲块合并。这个过程有时可能导致不正确的合并，尤其是在多个释放区之间的地址顺序不完全连续时。
解决方法：
排序：为了确保释放的区块能够与相邻的空闲区合并，我们首先需要对空闲区链表进行排序，按照首地址升序排列。这样可以确保释放的区块能够与其相邻的块合并。
逐个检查：通过遍历整个空闲区链表，逐个检查是否存在相邻的块，如果发现两个块是相邻的（一个块的终址等于另一个块的首址），就进行合并操作。
B. 分配算法中的空闲区选择问题
在first_fit_allocate和best_fit_allocate中，如何选择合适的空闲区是一个关键问题。对于First Fit，我们从头开始查找第一个足够大的块进行分配；而Best Fit则寻找剩余空间最小的块。
解决方法：
First Fit：尽量避免遍历不必要的空闲区链表，如果找到合适的块就立刻分配。
Best Fit：为避免碎片过多，可以在分配前对空闲区进行合并，减少碎片的产生。
C. 空闲区打印时的输出格式问题
在输出空闲区链表时，可能会遇到格式显示不清楚的问题，特别是在分区大小很大或链表很长时，输出的结果可能会显得杂乱。
解决方法：
确保输出时对齐，并使用适当的格式化控制符来美化输出，使其更易读。
四、实验结果
五、实验总结
浙公网安备 33010602011771号