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  • 一、外存分配方式 二、储空间管理

    一、外存分配方式

    a.目标:有效利用外存空间,提高文件访问速度
    b.采用的磁盘分配方式决定了文件的物理结构
    顺序结构;链接式结构;索引式结构。

    c.常用的外存组织三种方式:

    1. 连续分配(顺序结构
      a.为每一个文件分配一组相邻的盘块。
      b.逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序一致。
      优点:顺序访问容易,读写速度快
      缺点
      *会产生外存碎片。可紧凑法弥补,但需要额外的空间,和内存紧凑相比更花时间。
      *创建文件时要给出文件大小;存储空间利用率不高,不利于文件的动态增加和修改;
      适用于变化不大顺序访问的文件,在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如对换区

    2. 链接分配(不连续)(链接式结构
      可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块。
      设置链接指针,将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表,这样形成的文件称为链接文件。会有链接成本。
      (1)优点
      离散分配,消除外部碎片,提高利用率
      同时适用于文件的动态增长;修改容易
      ==>>不足
      ①顺序检索的时间成本:不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取,仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。
      ②链接信息的空间成本:FAT需占用较大的内存空间。当磁盘容量较大时,FAT可能要占用数MB以上的内存空间。这是令人难以忍受的
      (2)链接有两种形式:
      ①隐式链接
      a.链接信息隐含记录在盘块数据中;记录中只有开始盘块号和结束盘块号
      b.每个盘块拿出若干字节,记录指向下一盘块号的指针。(减少了每一块存储的字节数)
      c.问题:只能顺着盘块读取,可靠性低(花费的时间长
      ②显式链接(FAT–file allocationtable)
      a.链接信息以信息表的形式显示存放
      b.属于一个文件的盘块通过链接成为一体,每个链条的首地址作为文件地址记录在相应文件的FCB(文件控制块)的“物理地址”字段中。
      c.记录盘块链接的指针显示地记录为一张链接表
      d.所有已分配的盘块号都记录在其中,称文件分配表(FAT)
      e.为了提高文件系统访问速度,FAT一般常驻内存
      (根据FAT可知外存大小)

      在这里插入图片描述

    3. 索引分配(索引式结构
      a.系统运行时只涉及部分文件,FAT表无需全部调入内存
      b.每个文件单独建索引表(物理盘块索引),记录所有分配给它的盘块号;
      c.建立文件时,便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息;
      (1)单级索引分配
      分配一个盘块存储该文件占用的盘块号
      a.索引形式适合大文件
      b.中、小型文件,只需若干链接即可。若用索引分配方式,用一个盘块存放少量索引信息反而不适用。
      (2)多级索引
      a.若文件较大,存放索引表也需要多个盘块(索引盘块)。
      b.索引盘块亦需要按顺序管理起来
      若索引盘块数量较少,比指针链接方式浪费空间,用指针链接的方式即可
      索引盘块较多,需对索引盘块也采用索引方式管理,形成多级索引
      FBC中存放文件名和主索引号,主索引中再存放一级索引
      在这里插入图片描述
      (3)混合组织索引(增量式索引组织方式)
      一个索引结点定义为13个地址项:iaddr(0)~iaddr(12),总的来说分为两种:直接地址、间接地址
      a. iaddr(0)~iaddr(9)存放直接地址,即存文件数据的盘块号(仅需访问磁盘一次)
      b. iaddr(10)存放单级索引的索引盘块号(需两次访问磁盘)
      c. 剩余的用于文件较大时存放多级索引数据。
      *iaddr(11)存放二级索引的主索引盘块号(需三次访问磁盘)
      *iaddr(12)存放三级索引的主索引盘块号(需四次访问磁盘)

    例题:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    二、存储空间的管理

    为实现存储空间分配,系统需要:
    a.记住空闲存储空间使用情况;为空间设置相应的数据结构
    b.提供对存储空间分配、回收的操作手段。

    典型的管理方法:
    (1)空闲表和空闲链表法
    ①空闲表法
    常用于连续分配管理方式
    数据结构:
    a.系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表
    b.每个空闲区对应一个空闲表项(表项包括序号、空闲区的第一个盘块号、空闲盘块数等。)
    c.将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列
    ②空闲链表法
    将所有空闲盘区拉成一条空闲链。
    数据结构:
    根据构成链所用基本元素的不同,可把链表分成两种形式:
    a.空闲盘块链
    优点:分配和回收一个盘块的过程非常简单,链表长,大量分配时需要操作的指针多
    b.空闲盘区链
    链表长度不定,分配时操作的指针数量相对较少,但分配回收操作相对复杂。

    (2)位示图法
    值为0表示对应的盘块空闲,为1表示已分配。有的系统则相反。
    总块数:mn
    在这里插入图片描述
    a.盘块号计算公式:
    j从1开始:盘块号 = 列总数*(i-1)+ j
    j从0开始:盘块号 = 列总数*(i-1)+ j+1
    b.根据盘块算行列计算公式:
    i从1开始:i=(盘块号-1)/列数+1;j=(盘块号-1)%列数+1
    i从0开始:i=(盘块号-1)/列数;j=(盘块号-1)%列数
    c.优缺点:从位示图中很容易找到一个或一组相邻接的空闲盘块。但限于容量问题,常用于微型机和小型机中

    (3)成组链接法
    a.大型文件系统,空闲表或空闲链表太长不方便管理操作。
    b.UNIX系统中采用成组链接法,这是将两种方法结合而形成的一种空闲盘块管理方法。
    c.中心思想:
    所有盘块按规定大小划分为组;
    组间建立链接;
    组内的盘块借助一个系统栈可快速处理,且支持离散分配回收

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  • 首先我们先了解一下内存:C语言使用malloc/free动态管理内存空间,C++引入了new/delete,new[]/delete[]来动态管理内存。 介绍new/delete,new[]/delete[]之前我们先了解一下operator new,operator delete,...

    首先我们先了解一下内存:

    这里写图片描述

    C语言使用malloc/free动态管理内存空间,C++引入了new/delete,new[]/delete[]来动态管理内存。
    介绍new/delete,new[]/delete[]之前我们先了解一下operator new,operator delete,operator new[],operator delete[]函数。

    注:这些函数并没有重载new/delete表达式。

    函数声明如下:
    void* operator new(size_t size);
    void operator delete(size_t size);
    void* operator new[](size_t size);
    void operator delete[](size_t size);
    
    析:operator new/operator delete,operator new[]/operator delete[]是标准库函数,用法和malloc/free的用法一样,只负责分配/释放空间,但实际上operator new/operator delete只是malloc/free的一层封装。

    new/delete:动态管理对象;
    new[]/delete[]动态管理对象数组。

    int* ptr1=new int;//动态分配4个字节的空间
    delete ptr;
    int* ptr2=new int(4);//动态内存分配4个字节空间并初始化
    delete ptr2;
    int* ptr3=new int[4];//动态内存分配16个字节空间
    delete[];

    1>,new/delete实际上做了什么事呢??
    new:先调用operator new分配空间,再调用构造函数初始化空间。
    delete:先调用析构函数清理对象,再调用operator delete释放空间。

    这里写图片描述
    这里写图片描述

    2>,new[]/delete[]实际上做了什么事呢??
    new[n]:调用operator new分配空间,再调用n次构造函数初始化对象。
    delete[n]:调用n次析构函数清理对象,再调用operator delete释放空间。

    这里写图片描述

    为什么编译器会知道调用多少次构造函数,析构函数呢?
    原来在new[ ]分配空间的时候会在头部多分配4个字节来存n,这样在调用new[]/delete[]时就知道调用几次构造函数和析构函数了。

    new/delete,new[]/delete[]为什么要成对出现?
    当new在开辟内置类型的空间时,不成对出现是可以的;但是当开辟非内置类型空间时,就要多开辟4个字节,这时如果不成对使用就会造成内存泄漏或者程序崩溃。
    这里写图片描述

    用宏模拟实现new[]/delete[]申请和释放数组

    //DELETE_ARRAY参数中传n
    #define NEW_ARRAY(ptr,type,n)                          
    do{                             
    ptr=(type*)operatornew(sizeof(type)*n);             
    for (size_t i = 0; i <n;++i)                            
    {                       
    new(ptr+i)type;                     
    }                                                       
    } while (0);                                            
    
    
    #define DELETE_ARRAY(ptr,type,n)                
    do{                             
    for (size_t i = 0; i < n; ++i)                          
    {               
    (ptr+i)->~String();                        
    }                               
    operator delete ptr;                                
    } while (0);
    //给DELETE_ARRAY中不传n
    #define NEW_ARRAY(ptr,type,n)                           
    do{                                                                             
    ptr = (type*)operator new(sizeof(type)*n + 4);           //给n也分配空间
    *(int*)ptr = n;                                             
    ptr=(type*)((char*)ptr+4);                                  
    for (size_t i = 0; i < n; ++i)                              
    {                                                       
    new(ptr + i)(type);                                 
    }                                                           
    } while (0);
    
    #define DELETE_ARRAY(ptr,type)                              
    do{                                                         
        size_t n = *((int*)ptr - 1);                            
        for (size_t i = 0; i < n; ++i)                              
        {                                                           
        (ptr + i)->~String();                                  
        }                                                           
        operator delete(char*(ptr - 4));                            
    } while (0);

    malloc/free和new/delete之间关系和差异
    关系:都能进行动态内存管理。
    差异:1>,malloc/free是标准的库函数, new/delete是操作符;
    2>,malloc/free只是分配/释放内存 ,new/delete不仅分配/释放内存还调用构造函数初始化和析构函数清理;
    3>,malloc/free手动计算类型大小,返回值void*,new/delete自动计算类型大小,返回对应类型的指针;
    4>,malloc/free失败返回0, new/delete失败抛异常。

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  • C++模拟动态内存管理

    万次阅读 2018-05-17 22:20:24
    使用链表对进程进行存储,每个节点记录、 下一个进程的占用内存的大小 起始地址 执行时间 下一个进程的地址 随机生成进程(空间大小、执行时间) ...* title :C++模拟动态内存管理 * author ...

    使用链表对进程进行存储,每个节点记录、
    下一个进程的占用内存的大小
    起始地址
    执行时间
    下一个进程的地址
    随机生成进程(空间大小、执行时间)
    先执行连续内存分配,若内存分配到最后位置,则在之前产生的碎片中找可以容纳该进程的碎片放入。
    若没有找到这样的碎片就等待已经占用内存的进程退出空间之后再进入。

    代码如下

    /**
    * title :C++模拟动态内存管理
    * author : liyunhao
    * date:2018.05.17
    * time : 0:26
    */
    
    #include <iostream>
    #include <cstring>
    #include <vector>
    #include <algorithm>
    #include <windows.h>
    using namespace std;
    /公用函数
    //控制输出的位置
    void gotoxy(short x, short y)
    {
        static COORD cd;
        HANDLE g_hConsoleOutput = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
        cd.X = (short)(x << 1);
        cd.Y = y;
        SetConsoleCursorPosition(g_hConsoleOutput, cd);
    }
    
    int getRandom(int a,int b){//返回指定范围的随机数
        int range = b - a;
        if(range<=0){
            return 0;
        }else{
            return a + rand()%range;
        }
    
    }
    
    
    class Memory{
    public:
        int *p;
        int len;
        int CurrPos;
        Memory(int n=500){
            len = n;
            CurrPos = 0;
            p = new int [n];
            memset(p,0,4*n);
        }
        /
        int findAPos(int proLen){
            int pos = CurrPos;
            int start;
            int end;
            start = pos;
            while(p[start]==1 && start < len){
                start++;
            }
            end = start;
            while(p[end]==0){
                end++;
            }
            if(end-start > proLen && end <len){
                return start;
            }
    
        }
        bool MemoCanBeWrote(int s,int len){
            for(int i=s;i<s+len;i++){
                if(p[i]){
                    return false;
                }
            }
            return true;
        }
    
        bool writeMemo(int s,int len){
    
            for(int i=s;i<s+len;i++){
                p[i]=1;
            }
    
            CurrPos = s+len;
            CurrPos %= this->len;
        }
    
        bool clearMemo(int s,int len){
            for(int i=s;i<s+len;i++){
                p[i]=0;
            }
        }
    
        void disp(){
    
            gotoxy(1,1);
            for(int i=0;i<len;i++){
    
                cout<<p[i];
                if(i!=0 && (i+1)%100==0){
                    cout<<endl;
                    gotoxy(1,i/100+2);
                }
            }
            cout<<endl;
        }
    };
    
    class Process{
    public:
        int pid;
        int meSize;
        int meStart;
        int time;
        int nextPro;
        Process(int pid,int meSize,int time){
            this->pid = pid;
            this->meSize = meSize;
            this->time = time;
        }
    };
    
    class MemoMange{
    public:
        Memory * Memory1;
        vector<Process *> ProcVector;
        MemoMange(){
            Memory1 = new Memory;
        }
        int FindRoomForPro(int proLen){
            vector<Process *>::iterator iter;
            if(ProcVector.size() ==0 && proLen<Memory1->len){
                return 0;
            }
            iter =ProcVector.end()-1;
            if(Memory1->MemoCanBeWrote( (*iter)->nextPro,proLen )){
                return (*iter)->nextPro;
            }else{
    
                for(iter=ProcVector.begin();iter!=ProcVector.end()-1;iter++){
                    if(Memory1->MemoCanBeWrote( (*iter)->nextPro,proLen )){
                    return (*iter)->nextPro;
                    }
                }
                return -1;
            }
        }
        bool ProInComing(Process * pro){
            if(pro){
                int startOfNewPro = FindRoomForPro(pro->meSize);
                if(startOfNewPro >= 0){
    
                    Memory1->writeMemo(startOfNewPro, pro->meSize);
                    pro->meStart = startOfNewPro;
                    pro->nextPro = startOfNewPro + pro->meSize;
                    pro->nextPro %= Memory1->len;
                    //Memory1->CurrPos += pro->meSize;
                    ProcVector.push_back(pro);
                    gotoxy(1,7);
                    cout<<"进程"<<pro->pid<<"被创建"<<"并且成功写入内存"<<endl;
                }else{
                    gotoxy(1,7);
                    cout<<"进程"<<pro->pid<<"被创建"<<"但是无法写入内存"<<endl;
                }
                Memory1->disp();
            }
            else{
                cout<<"未知的进程"<<endl;
            }
        }
    
        bool ProLeaving(Process * pro){
             //在vector中查找指定元素
            vector<Process *>::iterator iter = find(ProcVector.begin(),ProcVector.end(),pro);
            //cout<<"pro->meStart"<<pro->meStart<<"pro->meSize"<<pro->meSize<<endl;
            Memory1->clearMemo(pro->meStart,pro->meSize);
            //删除指定元素
            gotoxy(1,8);
            cout<<"进程"<<pro->pid<<"被移出内存"<<endl;
            if(iter!=ProcVector.end())ProcVector.erase(iter);
            Memory1->disp();
    
        }
    
        bool ShortestProLeaving(){
             //在vector中查找指定元素
    
            vector<Process *>::iterator iter;
            vector<Process *>::iterator shortestIter;
            if(ProcVector.size() <= 0){
                return false;
            }
            iter = ProcVector.begin();
            shortestIter = iter;
            int shortest = (*iter)->time;
    
            while(iter != ProcVector.end()){
                if( (*iter)->time < shortest){
                    shortestIter = iter;
                    shortest = (*iter)->time;
                }
                iter++;
            }
            ProLeaving(*shortestIter);
            return true;
        }
        void disp(){
            vector<Process *>::iterator iter=ProcVector.begin();
            while(iter!=ProcVector.end())
            cout<<*iter++<<" ";
            cout<<endl;
        }
    };
    
    int main()
    {
        MemoMange MemoMange1;
        Process * p;
        gotoxy(20,0);
        cout<<"C++模拟动态内存管理"<<endl;
        int i=0;
        while(1){
    
            int randLen = getRandom(10,30);
            int action = getRandom(0,10);
            int randTime = getRandom(10,30);
            if(action<=7){
                p = new Process(i,randLen,randTime);
                MemoMange1.ProInComing(p);
            }else{
                MemoMange1.ShortestProLeaving();
    
            }
            Sleep(1000);
            i++;
        }
    
        return 0;
    }
    
    

    运行结果:
    ①起始状态
    这里写图片描述

    ②进程不断加入产生碎片,出现无法写入的情况,

    这里写图片描述

    ③一些进程退出,可以再次写入进程

    这里写图片描述

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  • 动态内存管理

    千次阅读 2009-02-19 09:17:00
    动态内存管理动态内存管理DMM(Dynamic Memory Management)是从Heap中直接分配内存和回收内存。有两种方法实现动态内存管理。一是显示内存管理EMM(Explicit Memory Management)。在EMM方式,内存从Heap中进行分配...

    动态内存管理



    动态内存管理DMM(Dynamic Memory Management)是从Heap中直接分配内存和回收内存。

    有两种方法实现动态内存管理。

    一是显示内存管理EMM(Explicit Memory Management)。
    在EMM方式,内存从Heap中进行分配,用完后手动回收。程序使用malloc()函数分配整数数组,并使用free()函数释放分配的内存。

    二是自动内存管理AMM(Automatic Memory Management)。
    AMM也可叫垃圾回收器(Garbage Collection)。Java编程语言实现了AMM,与EMM不同,Run-time system关注已分配的内存空间,一旦不再使用,立即回收。

    无论是EMM还是AMM,所有的Heap管理计划都面临一些共同的问题和前在的缺陷:
    1)内部碎片(Internal Fragmentation)
    当内存有浪费时,内部碎片出现。因为内存请求可导致分配的内存块过大。比如请求128字节的存储空间,结果Run-time system分配了512字节。

    2)外部碎片(External Fragmentation)
    当一系列的内存请求留下了数个有效的内存块,但这些内存块的大小均不能满足新请求服务,此时出现外部碎片。

    3)基于定位的延迟(Location-based Latency)
    延迟问题出现在两个数据值存储得相隔很远,导致访问时间增加。

    EMM往往比AMM更快。
    EMM与AMM比较表:
    ——————————————————————————————————————
                                     EMM                                        AMM
    ——————————————————————————————————————
    Benefits     尺寸更小、速度更快、易控制         stay focused on domain issues
    Costs        复杂、记账、内存泄露、指针悬空           不错的性能
    ——————————————————————————————————————

    早期的垃圾回收器非常慢,往往占用50%的执行时间。

    垃圾回收器理论产生于1959年,Dan Edwards在Lisp编程语言的开发时实现了第一个垃圾回收器。

    垃圾回收器有三种基本的经典算法:

    1)Reference counting(引用计数)
    基本思想是:当对象创建并赋值时该对象的引用计数器置1,每当对象给任意变量赋值时,引用记数+1;一旦退出作用域则引用记数-1。一旦引用记数变为0,则该对象可以被垃圾回收。
    引用记数有其相应的优势:对程序的执行来说,每次操作只需要花费很小块的时间。这对于不能被过长中断的实时系统来说有着天然的优势。
    但也有其不足:不能够检测到环(两个对象的互相引用);同时在每次增加或者减少引用记数的时候比较费时间。
    在现代的垃圾回收算法中,引用记数已经不再使用。

    2)Mark-sweep(标记清理)
    基本思想是:每次从根集出发寻找所有的引用(称为活对象),每找到一个,则对其做出标记,当追踪完成之后,所有的未标记对象便是需要回收的垃圾。
    也叫追踪算法,基于标记并清除。这个垃圾回收步骤分为两个阶段:在标记阶段,垃圾回收器遍历整棵引用树并标记每一个遇到的对象。在清除阶段,未标记的对象被释放,并使其在内存中可用。

    3)Copying collection(复制收集)
    基本思想是:将内存划分为两块,一块是当前正在使用;另一块是当前未用。每次分配时使用当前正在使用内存,当无可用内存时,对该区域内存进行标记,并将标记的对象全部拷贝到当前未用内存区,这是反转两区域,即当前可用区域变为当前未用,而当前未用变为当前可用,继续执行该算法。
    拷贝算法需要停止所有的程序活动,然后开始冗长而繁忙的copy工作。这点是其不利的地方。

    近年来还有两种算法:

    1)Generational garbage collection(分代)
    其思想依据是:
      (1) 被大多数程序创建的大多数对象有着非常短的生存期。
      (2) 被大多数程序创建的部分对象有着非常长的生存期。
    简单拷贝算法的主要不足是它们花费了更多的时间去拷贝了一些长期生存的对象。
    而分代算法的基本思想是:将内存区域分两块(或更多),其中一块代表年轻代,另一块代表老的一代。针对不同的特点,对年轻一代的垃圾收集更为频繁,对老代的收集则较少,每次经过年轻一代的垃圾回收总会有未被收集的活对象,这些活对象经过收集之后会增加成熟度,当成熟度到达一定程度,则将其放进老代内存块中。
    分代算法很好的实现了垃圾回收的动态性,同时避免了内存碎片,是目前许多JVM使用的垃圾回收算法。

    2)Conservative garbage collection(保守)

    哪一种算法最好?答案是没有最好。

    EMM作为很常用的垃圾回收算法,有5种基本方法:
    1)Table-driven algorithms
    表驱动算法把内存分为固定尺寸的块集合。这些块使用抽象数据结构进行索引。比如一个bit对应一个块,用0和1表示是否分配。不利因素:位映射依赖于内存块的尺寸;另外,搜索一系列的空闲内存块可能需要搜索整个bit映射表,这影响性能。

    2)Sequential fit
    顺序适应算法允许内存分为不同的尺寸。此算法跟踪已分配和空闲的Heap,标记空闲块的起始地址和结束地址。它有三种子分类:
      (1) First fit(首次适应)——分配找到的第一个适合内存请求的块
      (2) Best fit(最佳适应)——分配最适合内存请求的块
      (3) Worst fit(最不适应)——分配最大的块给内存请求

    3)Buddy systems
    Buddy systems算法的主要目的是加速已分配内存在释放后的合并速度。显示内存管理EMM使用Buddy systems算法可能导致内部碎片。

    4)Segregated storage
    隔离存储技术涉及到把Heap分成多个区域(zone),并为每个区域采用不同的内存管理计划。这是很有效的方法。

    5)Sub-allocators
    子配置技术尝试解决在Run-time System下分配大块内存并单独管理的内存分配问题。换句话说,程序完全负责自己的私有存储堆(stockpile)的内存分配和回收,无需run-time System的帮助。它可能带来额外的复杂性,但是你可以显著地提高性能。在1990年的《C Compiler Design》一书中,Allen Holub就极好地利用了Sub-allocators来加速其编译器的实现。

    注意,显示内存管理EMM必须是灵活的,能够响应数种不同类型的请求。

    最后,使用EMM还是使用AMM?这是一个Religious question,凭个人喜好。EMM在复杂的开销下实现了速度和控制。AMM牺牲了性能,但换来了简单性。


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