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8.9 KiB
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C
/*==============
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* 伙伴系统
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*
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* 包含算法: 8.2
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===============*/
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#include "BuddySystem.h"
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// 记录内存的起始地址，在计算伙伴块时候需要用到
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WORD* start;
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/*
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* 初始化一块大小为2^M个字的内存，并返回指向该内存的起点的指针
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* 注：返回的初始内存已经包含了head。
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*/
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void InitSpace(FreeList avail) {
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int k;
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WORD* r;
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// 遍历M+1个元素
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for(k = 0; k <= M; k++) {
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avail[k].nodesize = (int) pow(2, k);
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avail[k].first = NULL;
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}
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r = (WORD*) malloc((int) pow(2, M) * sizeof(WORD));
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if(r == NULL) {
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exit(OVERFLOW);
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}
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// 设置头部信息
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r->llink = r->rlink = r;
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r->tag = 0;
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r->kval = M;
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avail[M].first = r;
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start = r;
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}
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/*
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* ████████ 算法8.2 ████████
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*
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* 伙伴系统的内存分配算法
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*
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* 从空间avail中申请一块大小至少为n(原始值)的空间，并返回指向申请到的空间的指针。如果分配失败，则返回NULL。
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*
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* 注：
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* 1.这里采用首次拟合法，即一遇到满足条件的内存块就进行分配操作。
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* 2.这里申请分配n个字的空间，指的是用户申请的原始空间。
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* 实际在申请时，还要考虑到每个块前面有1个字的head信息，即经过换算后，实际需要申请(n+1)个字。
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* 这里的n与算法8.1里面的n含义正好相反，需要注意。
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*/
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WORD* AllocBuddy(FreeList avail, int n) {
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int k, i;
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WORD* pa, * pre, * suc, * pi;
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/*
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* 增加一个判断：如果换算后的空间容量小于1，则直接返回。
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*/
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if(n < 1) {
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printf("日志：分配失败！申请的\"字\"数应当不小于1\n");
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return NULL;
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}
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// 查找不小于n的空闲块
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for(k = 0; k <= M && (avail[k].nodesize < n + 1 || !avail[k].first); k++) {
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}
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// 找不到合适的空闲块，返回空指针
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if(k > M) {
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printf("日志：分配失败！没有足够的空闲块\n");
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return NULL;
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}
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pa = avail[k].first; // 指向可分配子表的第一个结点
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pre = pa->llink; // 分别记下前驱和后继
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suc = pa->rlink;
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// 如果此处仅有一个空闲块，则分配后该子表变为空
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if(pa == suc) {
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avail[k].first = NULL;
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// 否则，从链表头部摘下一个可用的空闲块，并将子表头指针指向下一个空闲块
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} else {
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pre->rlink = suc;
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suc->llink = pre;
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avail[k].first = suc;
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}
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/*
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* 从k-1处开始逆向遍历FreeList数组，向其中填充剩余的空闲块。
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* 剩余的空闲块是对剩余可用空间的拆分。
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*
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* 这里用到一个公式：2^m-2^n = 2^n+2^(n+1)+...+2^(m-1)
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* 比如初始容量为2^16，此时总共申请1500个字，那么需要分配一块2^11的空闲块给它。
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||
* 分配完之后，剩余的容量为：2^16-2^11 = 2^11+2^12+2^13+2^14+2^15。
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||
* 这些剩余容量可以拆分为5个空闲块，分别存储到15、14、13、12、11这五个索引处。
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*/
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for(i = 1; k - i >= 0 && avail[k - i].nodesize >= n + 1; i++) {
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pi = pa + (int) pow(2, k - i); // 每次将pi指向剩余空间的后一半
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pi->rlink = pi->llink = pi; // 初始化pi的前驱和后继
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pi->tag = 0; // 标记为空闲块
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pi->kval = k - i; // 设置该块的容量标志，真实容量为2^(k-i)
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avail[k - i].first = pi;
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/*
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* 注：
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* 上面分解出来的pi直接添加到了avail中，并没有考虑同位置处会不会有别的容量相同的空闲块。
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* 这里不需要考虑的原因是如果同位置处已经存在别的容量相同的空闲块，
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* 那么这里根本不需要分解剩余空间，换句话说，连这个循环都进不来。
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||
* 只要进来这个循环，说明目标位置处已经为空了，没有找到合适的空闲块，所以这才进一步向高游标处寻找空闲块。
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*/
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}
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// 最后剩下的最靠前的空间就是需要分配的空间(这里没有设置pa的前驱和后继，因为没必要)
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pa->tag = 1;
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pa->kval = k - (--i);
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printf("日志：分配成功！用户申请 %d 个字，系统申请 %d 个字，实际分配 %d 个字\n", n, n + 1, (int) pow(2, pa->kval));
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return pa;
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}
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/*
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* 伙伴系统的内存回收算法
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*
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* 对指针p处的内存进行释放(这类似于free()，只是对内存进行释放操作，至于置空指针p的操作，应交给调用方完成)
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*
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* 注：这里没有验证p的取值，调用方应当确保p在合规的范围
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*/
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void FreeBuddy(FreeList avail, WORD* p) {
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int k;
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WORD* r;
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WORD* buddy = Buddy(p);
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if(p == NULL) {
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return;
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}
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/*
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* 这里将p结点简单地插入到avail中，包含三种情形：
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* 1.伙伴块非空闲
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* 2.伙伴空闲，但是伙伴的大小跟p的大小不一致，说明伙伴还没拼合好
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* 3.p拼接成了最后一个最大的空闲块
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*/
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if(buddy->tag == 1 || buddy->kval != p->kval || p->kval == M) {
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for(k = 0; k <= M && k < p->kval; k++) {
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// 查找p结点应当进入的插槽
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}
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// 找到插槽，采用头插法将空闲块插入到目标插槽
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if(k <= M && k == p->kval) {
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p->tag = 0;
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if(avail[k].first == NULL) {
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p->llink = p->rlink = p;
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} else {
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p->llink = avail[k].first->llink;
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||
p->rlink = avail[k].first;
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||
p->llink->rlink = p;
|
||
p->rlink->llink = p;
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||
}
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||
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||
avail[k].first = p;
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||
|
||
printf("日志：回收成功！[%d, (2^%d)]进入插槽 %d 的空闲块链表上\n", (int) (p - start), k, k);
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}
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||
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||
// 如果伙伴块是空闲的，此时应当进行合并操作
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} else {
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||
for(k = 0; k <= M && k < p->kval; k++) {
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||
// 查找伙伴块所在的插槽
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||
}
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||
// 找到插槽，将伙伴块从空闲块链表中摘下来
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if(k <= M && k == p->kval) {
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// 伙伴在链表第一个位置
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if(avail[k].first == buddy) {
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buddy->rlink->llink = buddy->llink;
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buddy->llink->rlink = buddy->rlink;
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||
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||
avail[k].first = buddy->rlink;
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|
||
// 伙伴在中间位置
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} else {
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for(r = avail[k].first; r->rlink != buddy; r = r->rlink) {
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||
// 查找伙伴，r指向伙伴的前驱
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}
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||
r->rlink = buddy->rlink;
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||
buddy->rlink->llink = r;
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}
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||
printf("日志：合并成功！[%d, (2^%d)]和[%d, (2^%d)]合并成了", (int) (p - start), k, (int) (buddy - start), k);
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// 合并之前，需要确定哪个伙伴靠前
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if(p < buddy) {
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p->tag = 0;
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} else {
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p = buddy;
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}
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p->kval = k + 1; // 指数增一后，即完成合并
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printf("[%d, (2^%d)]\n", (int) (p - start), k + 1);
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// 出现新的空闲块之后，要进入递归，查看该空闲块是否也存在空闲伙伴
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FreeBuddy(avail, p);
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}
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}
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}
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/*
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* 打印内存布局，查看当前内存的使用情况
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* 注：仅限内部测试使用
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*/
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void PrintMemoryLayout() {
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int i, count, total;
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WORD* p;
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printf("|");
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p = start;
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count = (int) pow(2, p->kval);
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for(i = 1; i <= count; i++) {
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if(p->tag == 0) {
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printf("_");
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} else {
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||
printf("*");
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||
}
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||
// 进入到下一个块
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||
if(i == count && count < (int) pow(2, M)) {
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||
p = start + count;
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||
count += (int) pow(2, p->kval);
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||
printf("|");
|
||
}
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||
}
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printf("|\n");
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||
}
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/*
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* 查找块p的伙伴
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*
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* 将一个空闲块对半分裂后，会生成的两个小空闲块，这两个小空闲块互为伙伴。
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* 计算伙伴的算法为：
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* 对于起始地址为p，大小为2^k的内存块：
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* 1.若 p MOD 2^(k+1) == 0 ,则p的伙伴块的起始地址为p+2^k，
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* 2.若 p MOD 2^(k+1) == 2^k ,则p的伙伴块的起始地址为p-2^k。
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*
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* 注：仅限内部使用，用在回收算法中
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*/
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static WORD* Buddy(WORD* p) {
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long s, m, n;
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if(p == NULL) {
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return NULL;
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}
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// start是整个空闲块的绝对起始地址，s是p在伙伴系统中的绝对地址，从0开始
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s = p - start;
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if(s < 0) {
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return NULL;
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}
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m = (long) pow(2, p->kval);
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n = (long) pow(2, p->kval + 1);
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if(s % n == 0) {
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||
return p + m;
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||
}
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if(s % n == m) {
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||
return p - m;
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||
}
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|
||
return NULL;
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||
}
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