数据结构动态存储管理.ppt

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1、第8章 动态存储管理,8.1 概述,程序执行过程中，(数据)结构中的每一个数据元素都对应一定的存储空间，数据元素的访问都是通过对应的存储单元来进行的。存储空间的分配与管理是由操作系统或编译程序负责实现的，是一个复杂而又重要的问题，现代的存储管理往往采用动态存储管理思想。动态存储管理：如何根据“存储请求”分配内存空间？如何回收被释放的(或不再使用的)内存空间？,对于允许进行动态存储分配的程序设计语言，操作系统在内存中划出一块地址连续的大区域(称为堆)，由设计者在程序中利用语言提供的内存动态分配函数(如C的malloc()，calloc()，free()函数，C+的new，delete函数等)来实

2、现对堆的使用。1 两个基本概念 占用块：已分配给用户使用的一块地址连续的内存区域；空闲块：未曾分配的地址连续的内存区域；2 用户请求分配内存，系统的处理方式 当有用户程序进入系统请求分配内存时，系统有两种处理方式：,系统从高地址空闲块中进行分配，直到分配无法进行时，才回收所有用户不再使用的空闲块，重新组织一个大的空闲块来再分配；用户程序一旦运行结束，便将它所占内存区释放成为空闲块，同时，每当新用户请求分配内存时，系统需要巡视整个内存区中所有空闲块，并从中找出一个“合适”的空闲块分配之。对于的情况，系统需建立一张“可利用空间表”。程序运行过程中，不断地对堆中的部分区域进行分配和释放，堆中会出现占

3、用块和空闲块交错的状态，如图8-1所示。,3 动态存储分配的基本问题 当某一时刻用户程序请求分配400个字节的存储空间，如何分配?将块A分配给用户程序?从大块C中划出一部分分配给用户程序?当某一时刻分配B块的用户程序运行结束，B块要进行回收，如何回收?B块直接回收并成为一个独立的空闲块?B块回收并和前、后的空闲块A、C合并后形成一个更大的空闲块?,8.2 可利用空间表及分配方法,可利用空间表中包含所有可分配的空闲块，当用户请求分配时，系统从可利用空间表中删除一个结点分配之；当用户释放其所占内存时，系统即回收并将它插入到可利用空间表中。因此，可利用空间表亦称做“存储池”。,8.2.1 可利用空间

4、表的组织,可用空间表的组织有两种方式：目录表方式和链表方式，如图8-2所示。动态存储管理中需要不断地进行空闲块的分配和释放，对目录表来说管理复杂，因此，可利用空间表通常以链表方式组织。当可利用空间表以链表方式组织时，每个空闲块就是链表中的一个结点。分配时：从链表中找到一个合适的结点加以分配，然后将该结点删除之；回收时：将空闲块插入到链表中。实际的动态存储管理实施时，具体的分配和释放的策略取决于结点(空闲块)的结构。,8.2.2 结点结构方式与分配策略,1 请求分配的块大小相同 将进行动态存储分配的整个内存区域(堆)按所需大小分割成若干大小相同的块，然后用指针链接成一个可利用空间表。分配时：从表

5、的首结点分配，然后删除该结点；回收时：将释放的空闲块插入表头。2 请求分配的块大小只有几种规格 根据统计概率事先对动态分配的堆建立若干个可利用空间链表，同一链表中的结点(块)大小都相同。,分配时：根据请求的大小，将最接近该大小的某个链表的首结点分配给用户。若剩余部分正好差不多是另一种规格大小，则将剩余部分插入到另一种规格的链表中，然后删除该结点；回收时：只要将所释放的空闲块插入到相应大小的表头。存在的问题：当请求分配的块空间大小比最大规格的结点还大时，分配不能进行。而实际上内存空间却可能存在比所需大小还要大的的连续空间，应该能够分配。,3 请求分配的块大小不确定 系统开始时，整个堆空间是一个空

6、闲块，链表中只有一个大小为整个堆的结点，随着分配和回收的进行，链表中的结点大小和个数动态变化。由于链表中结点大小不同，结点中除标志域和链域之外，尚需有一个结点大小域(size)，以保存空闲块的大小，如图8-2(b)。问题：若用户请求分配大小为n(kB)的内存，而链表中有若干大小不小于n的空闲块时，如何分配?有3种分配策略。,首次拟合法(First fit)分配时：从表头指针开始查找可利用空间表，将找到的第一个不小于n的空闲块的部分(所需要大小)分配给用户，剩下部分仍然是一个空闲块结点；回收时：将释放的空闲块插入在链表的表头。特点：分配时随机的；回收时仅需插入到表头。最佳拟合法(Best fit

7、)分配时：扫描整个可利用空间链表，找到一个大小满足要求且最接近n空闲块，将其中的一部分(所需要大小)分配给用户，剩下部分仍然是一个空闲块结点；,回收时：只要将释放的空闲块插入到链表的合适位置。为了使分配时不需要扫描整个可利用空间链表，链表组织(块回收时)成按从小到大排序(升序)。优点：适用于请求分配的内存块大小范围较广的系统；缺点：系统容易产生无法分配的内存碎片；无论分配与回收，都需要查找表，最费时；最差拟合法(Worst fit)分配时：扫描整个可利用空间链表，找到一个大小最大的空闲块，将其中的一部分(所需要大小)分配给用户，剩下部分仍然是一个空闲块结点；,回收时：只要将释放的空闲块插入到链

8、表的合适位置。为了使分配时不需要扫描整个可利用空间链表，链表组织(块回收时)成按从大到小排序(降序)。特点：适用于请求分配的内存块的大小范围较窄的系统；分配无需查找，回收需要查找适当的位置。4 选择分配策略需考虑的因素 用户的逻辑要求、请求分配量的大小分布、分配和释放的频率以及效率对系统的重要性。,8.3 边界标识法,边界标识法(Boundary Tag Method)是操作系统中一种常用的进行动态分配的存储管理方法。系统将所有的空闲块链接成一个双重循环链表，分配可采用几种方法(前述)。系统的特点 每个内存区域的头部和底部两个边界上分别设置标识，以标识该区域为占用块或空闲块，在回收块时易于判别

9、在物理位置上与其相邻的内存区域是否为空闲块，以便于将所有地址连续的空闲存储区合并成一个尽可能大的空闲块。,8.3.1 可利用空闲表结点结构,typedef struct word Union struct word*llink;struct word*uplink;int tag;int size;struct word*rlink;OtherType other;WORD,head,foot,*Space;#define FootLoc(p)p+p-size-1,8.3.2 分配算法,分配算法比较简单，可采用前述三种方法中的任一种进行分配。设采用首次拟合法，为了使系统更有效地运行，在边界标识

10、法中还做了两条约定：选定适当常量e，设待分配空闲块、请求分配空间的大小分别为m、n。当m-ne时：将整个空闲块分配给用户；当m-ne时：则只分配请求的大小n给用户；作用：尽量减少空闲块链表中出现小碎片(容量e)，提高分配效率；减少对空闲块链表的维护工作量。为了避免修改指针，约定将高地址部分分配给用户。,空闲块链表中的结点数可能很多，为了提高查找空闲块的速度和防止小容量结点密集，每次查找时从不同的结点开始上次刚分配结点的后继结点开始。Space AllocBoundTag(Space*pav,int n)p=pav;for(;p if(p-sizen=e),if(pav=p)pav=NULL;e

11、lse pav-llink=p-link;p-llink-rlink=pav;p-tag=f-tag=1;else f-tag=1;p-size-=n;f=FootLoc(p);f-tag=0;f-uplink=p;p=f+1;p-tag=1;p-size=n;return p;,8.3.3 回收算法,当用户释放占用块，系统需立即回收以备新的请求产生时进行再分配。关键的是使物理地址毗邻的空闲块合并成一个尽可能大的结点，则需检查刚释放的占用块的左、右紧邻是否为空闲块。假设所释放的块的头地址为p，则与其低地址紧邻的块的底部地址为p-1；与其高地址紧邻的块的头地址为p+p-size，它们中的标志域就

12、表明了两个相邻块的使用状况：若(p-1)-tag=0：则左邻块为空闲块；若(p+p-size)-tag=0：则右邻块为空闲块；回收算法需要考虑的4种情况：,释放块的左、右邻块均为占用块 将被释放块简单地插入到空闲块链表中即可。p-tag=0;FootLoc(p)-uplink=p;FootLoc(p)-tag=0;if(!pav)pav=p-llink=p-rrlink=p;else q=pav-llink;P-rlink=pav;p-llink=q;q-rlink=pav-llink=p;Pav=p;,释放块的左邻块空闲而右邻块为占用 和左邻块合并成一个大的空闲块结点，改变左邻块的size域

13、及重新设置(合并后)结点的底部。n=p-size;s=(p-1)-uplink;s-size+=n;f=p+n1;f-uplink=s;f-tag=0;释放块的左邻占用而右邻空闲 和右邻块合并成一个大的空闲块结点，改变右邻块的size域及重新设置(合并后)结点的头部。t=p+p-size;p-tag=0;q=t-llink;p-llink=q;q-rlink=p;q1=t-rlink;p-rlink=q1;q1-llink=p;p-size+=t-size;FootLoc(t)-uplink=p;,释放块的左、右邻块均为空闲块 和左、右邻块合并成一个大的空闲块结点，改变左邻块的size域及重新

14、设置(合并后)结点的底部。n=p-size;s=(p-1)-uplink;t=p+p-size;s-size+=n+t-size;q=t-llink;q1=t-rlink;q-rlink=q1;q1-llink=q;FootLoc(t)-uplink=s;,8.4 伙伴系统,伙伴系统是一种非顺序内存管理方法，不是以顺序片段来分配内存，是把内存分为两个部分，只要有可能，这两部分就可以合并在一起;且这两部分从来不是自由的，程序可以使用伙伴系统中的一部分或者两部分都不使用。与边界标识法类似，所不同是：无论占用块或空闲块，其大小均为2的k次幂。,8.4.1 可利用空间表的结构,为了再分配时查找方便起见

15、，我们将所有大小相同的空闲块建于一张子表中。每个子表是一个双重链表，这样的链表可能有m+1个，将这m+1个表头指针用向量结构组织成一个表，这就是伙伴系统的可利用空间表。可利用空间表的数据类型描述如下：,#define M 16typedef struct WORD_b WORD_b*llink;/*前驱结点*/int tag;/*使用标识*/int kval;/*块的大小,是2的幂次*/WORD_b*rlink;/*后继结点*/OtherType other;WORD_b,head;typedef struct HeadNode int nodesize;WORD_b*first;FreeLi

16、stM+1;,8.4.2 分配算法,当程序提出大小为n的内存分配请求时，首先在可利用表中查找大小与n相匹配的子表.1 算法思想 若存在2k-1n2k-1的空闲子表结点：则将子表中的任意一个结点分配之；若不存在2k-1n2k-1的空闲子表结点：则从结点大小为2k的子表中找到一个空闲结点，将其中一半分配给程序，剩余的一半插入到结点大小为2k-1的子表中。,2 说明 在进行大小为n(2k-i-1n2k-i-1，i=1,2,k-1)的内存分配请求时，若所有小于2k的子表均为空(没有空闲结点)，则同样需要从大小为2k的子表中找到一个空闲结点，将其中2k-i一小部分分配给用户，而将剩余部分分割成若干个结点

17、分别插入对应的子表。,8.4.3 回收算法,当程序释放所占用的块时，系统将该新的空闲块插入到可利用空闲表中，需要考虑合并成大块问题。在伙伴系统中，只有“互为伙伴”的两个子块均空闲时才合并；即使有两个相邻且大小相同的空闲块，如果不是“互为伙伴”(从同一个大块中分裂出来的)也不合并。1 伙伴空闲块的确定 设p是大小为2k的空闲块的首地址，且p MOD 2k+1=0，则首地址为p和p+2k的两个空闲块“互为伙伴”。首地址为p大小为2k的内存块的，其伙伴的首地址为：,2 回收算法 设要回收的空闲块的首地址是p，其大小为2k的，算法思想是：判断其“互为伙伴”的两个空闲块是否为空：若不为空，仅将要回收的空闲块直接插入到相应的子表中；否则转；按以下步骤进行空闲块的合并：在相应子表中找到其伙伴并删除之；合并两个空闲块；重复，直到合并后的空闲块的伙伴不是空闲块为止。系统的特点：算法简单；速度快；但容易产生碎片。,