系统文件格式定义及其存储管理算法设计

 一、当前文件格式定义：

PKG = 文件头 + 打包文件流

文件头 = 文件头标记 + 版本号 + 【空闲循环双链表头指针[初始化置空] + 非空闲双链表头指针[初始化为文件包首部偏移量]】 + 文件个数 + 索引表大小 + 索引表偏移 + 索引表

打包文件流 = 二进制文件包1 + 二进制文件包2 + …... + 二进制文件包n

索引表 = ID + 空闲/使用标记 + 文件/目录名称 + 偏移量（相对打包的文件流的首部，方便以后对文件进行管理） + 大小 + 类型 + 父ID

【逻辑上的二进制文件包】（暂定） = llink(指向前一空闲空间的首部偏移) + tag(本包使用标记，0为未使用；1为已使用) + size(本包的大小) + rlink(指向后一空闲包的首部偏移) + space(空闲空间) + tag(尾部使用标记，内容和前面一致) + uplink(指向本包首部偏移)

说明：二进制文件包的设计在实际分配的时候，可以把整个包全部分配给文件写入。这些标记域将不浪费任何存储空间。

二、存储空间管理算法

1、一些说明

对存储空间的分配与回收，是通过加载到内存的两个表：空闲块链表和占用块链表【这两个表是在用户对文件操作的过程中，根据索引表动态生成的表格】进行管理的。这两个表都为双向循环链表，因此用到双向循环链表的常用操作：创建结点、删除结点、插入结点等操作。包括了对双向循环链表的排序：思路可以再内存中对双向循环链表进行重构，采用插入排序，空间复杂度为O(1)，性能上可行。基本操作：结点的创建、删除和插入操作。插入过程中按照size域进行排序。

2、存储空间分配算法【草稿，暂定】

分配算法分为三种：首次拟合法【无，首选】、最佳拟合法【从小到大排序】和最差拟合法【从大到小排序】。

程序流程：

删除【回收算法，见下】

插入【分配算法】：空闲块链头指针pav是否为空？

                                                                 |

——是———否———

|                                     |

                            在整个pkg尾部插|——————>结点大小是否合适

                            入文件修改索引表|                                   |

                            |                           |                           ——否———是——

                            |                           |                           |                             |

                            |                           |                  指针下移    修改空闲块各个标记，返回分配首地址

                            |                           |                  |                                       |

                            |                           —否—是否指空            写入文件，修改索引表

                            |<—————————是                                               |

                            |                                                                                     |

                            —————————————————————————

                                                                           |

                                                                   结束

3、文件存储空间的回收算法【草稿，暂定】

目标：物理上毗邻的空闲块组合成尽可能大的结点。

判别：释放区头部偏移量为p，则：

       上一块存储区底部偏移为：p-1

       下一块存储区头部偏移为：p+p->size

       使用情况判别方法：(p-1)->tag == 0 上临区为空闲块，p+p->size == 0 下临区为空闲块。

释放块操作：（四种）

1）  左右均为占用块：插入到空闲链表中。

2）  左邻区为空闲块，右邻区为占用块：修改左邻块size域；重设结点底部uplink。

3）  右邻区为空闲块，左邻区为占用块：修改释放块的头部域，修改有邻块的底部域。

4）  左右邻区均为空闲块：增加左邻空块的space量，链中删去右邻空间块。

4、存储空间碎片整理算法【草稿，暂定】——存储紧缩算法

5、索引表生成空闲双链表算法【思考中…】

附：存储分配与回收算法模拟实现代码

 

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>/* ==========宏定义部分========== */#define FootLoc(p) (p+p->size-1)// 指向p所指结点的底部#define MINSIZE 10 // 空闲区域最小的底限 #define INITSIZE 500 // 初始化存储空间的大小#define Status int // 返回状态#define OK 1 // 正确返回值#define ERROR 0 // 错误返回#define NUM 20 // 内存最大个数/* ==========结构定义部分========== */typedef struct WORD // 内存字类型{ union // head和foot分别是结点的第一个字和最后一个字 { WORD *link; // 头部域，指向前趋结点 WORD *uplink; // 底部域，指向本结点头部 }; int tag; // 块标志，0：空闲，1：占用，头部和尾部均有 int size; // 头部域，块大小 WORD *rlink; // 头部域，指向后继结点 // char flag[10];}WORD,head,foot,*Space; // *Space：可利用空间指针类型typedef struct ProcInf // 分配的进程信息{ Space Sp_Head; // 进程分配到的内存地址 char name[15]; // 进程描述标识 struct ProcInf *next; // 链表指针}ProcInf;/* =============函数声明部分============ */Space InitMem( int n );Space AllocBoundTag( WORD *pav, int n );Status RecycleAlg(Space p,Space pav);Space DuSort( WORD *pav );void Insert(WORD *pav,WORD *p);Space DelNode(ProcInf *h,char id[15]);Status InsertProInf(ProcInf *h, Space inser, char id[15]);int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){ WORD *p,*Ret_Proc_Add,*Rec; // p存放申请内存地址的头指针 ProcInf *pi_h = NULL; // 运行进程链表头指针 int i; int Num; int size; int n = INITSIZE; char id[15]; // 存放进程标识 pi_h= (ProcInf *)malloc(sizeof(ProcInf)); // 初始化运行进程链表头结点 pi_h ->next =NULL; p = InitMem(n); // 初始化申请的内存空间，刚开始为一整块空白内存大小为n if(!p) // 判断是否申请成功，失败结束运行 { printf("内存初始化失败!/n"); exit(1); } //测试用例 // 输入要创建进程的个数 printf("要申请的空间个数及其每一个空间所需要的存储空间：/n"); scanf("%d",&Num); for( i = 0; i < Num; i++ ) {L: printf("第%d个空间的存储空间和空间的ID：",i+1); scanf("%d%s",&size,id); getchar(); // 吸收回车符号 Ret_Proc_Add = AllocBoundTag( p, size );// 内存分配大小为size if(!Ret_Proc_Add) // 判断内存是否分配成功 { printf("内存可能不足，分配失败，重新输入./n"); goto L; } InsertProInf(pi_h,Ret_Proc_Add,id); // 插入到已经分配的内存链表当中 printf("分配内存标识：%s,首地址：0x%x,大小：%d/n",id,Ret_Proc_Add,Ret_Proc_Add ->size); } for( i = 0; i < Num; i++ ) { printf("输入要回收结点的名字："); scanf("%s",id); getchar(); Rec = DelNode(pi_h,id); if(!Rec) { printf("输入结点无效,请重新输入./n"); --i; } else RecycleAlg(Rec,p); } getchar(); return 0;}Space DelNode(ProcInf *h,char id[15]){ ProcInf *t,*p; p = h ->next; t = h; if( !p ) { printf("此空间不存在!/n"); return NULL; } while(p ->next!=NULL && strcmp(id,p->name)) { t = p; p = p->next; } if( p ->next!=NULL ) { t ->next = p->next; return p ->Sp_Head; } else if(!strcmp(id,p->name)) { t ->next = p ->next; return p->Sp_Head; } else { printf("此空间不存在!/n"); return NULL; }}Status InsertProInf(ProcInf *h,Space inser,char id[15]){ ProcInf *t,*p; p = h->next; if( h->next == NULL ) { if(!(t = (ProcInf *)malloc(sizeof(ProcInf)))) return ERROR; t ->Sp_Head = inser; strcpy( t ->name,id); t ->next = NULL; p = t; h ->next = p; return OK; } else { if(!(t = (ProcInf *)malloc(sizeof(ProcInf)))) return ERROR; t ->Sp_Head = inser; strcpy( t ->name,id); t ->next = NULL; while(p->next) p = p->next; p ->next = t; return OK; }}Space InitMem( int n ) // 初始化分配可利用内存的大小{ Space p; p = (Space)malloc(n*sizeof(WORD)); if( p ) { p ->tag = 0; // 设置使用标志为：未使用 p ->size = n; // 设置大小 p ->rlink = p ->link = p;// 初始化指针 p ->uplink = p; //指向本身 return p; } else return ERROR; // 分配失败}Space AllocBoundTag( WORD *pav, int n ) // 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；否则返回空，若 Space p,f; // 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。 // 查找不小于n的空闲块 for( p = pav; p && p->size < n && p->rlink != pav; p = p->rlink ); if( !p || p->size < n ) return NULL; // 查找失败返回空指针 else // p指向找到的空闲块 { f = FootLoc(p); // f指向此空闲块的底部 pav = p->rlink; // pav指向*p结点的后继结点 if( p->size-n <= MINSIZE ) // 整块分配，不保留<=MINSIZE的剩余量 { if( pav == p ) // 如果可利用空间表变为空表，则置pav为空 pav=NULL; else { // 在表中删除分配的结点 pav->link = p->link; p->link->rlink=pav; } p->tag = f->tag = 1;// 修改分配节点的头部和底部的标志 } else // 分配该块的后n个字 { f->tag = 1; // 修改分配块的底部标志 p->size -= n; // 置剩余块的大小 f = FootLoc(p); // 指向剩余块的底部 f->tag = 0;f->uplink = p;//设置剩余块的底部 p = f + 1; // 指向分配块的头部 p->tag = 1; // 设置分配块头部 p->size = n; // 设置分配块的大小 } return p; // 返回分配块首地址 }}Status RecycleAlg(Space p,Space pav) // 回收算法{ Space f,q,ql,t,s; int n; if( (p-1)->tag != 0 && (p+p->size)->tag != 0 ) { // 释放块的左右邻区均为占用块 printf("释放块的左右邻区均为占用块./n"); p -> tag = 0; FootLoc(p) ->uplink = p; FootLoc(p) ->tag = 0; if( !pav ) pav = p ->link = p ->rlink = p; else { q = pav ->link; p ->rlink = pav; p ->link = q; q ->rlink = pav ->link = p; pav = p; // 令刚释放的结点为下次分配时的最先查询结点 } } if((p-1)->tag == 0 && (p+p->size)->tag != 0) { // 释放块左邻区为空闲块 printf("释放块左邻区为空闲块./n"); n = p ->size; // 释放块的大小 s = (p-1)->uplink; // 左空闲块的的头部地址 s ->size += n; // 设置新的空闲块的大小 f = p + n - 1; // 设置新的空闲块的底部 f ->uplink = s; f ->tag = 0; } if( (p+p->size)->tag==0 && (p-1)->tag != 0 ) { //释放块的右邻区为空闲块 printf("释放块的右邻区为空闲块./n"); t = p + p ->size; // 右邻空闲块的头部地址 p ->tag = 0; // p为合并后的结点头部地址 q =t ->link; p ->link = q; q ->rlink = p; ql = t ->rlink; p ->rlink = ql; ql ->link = p; p ->size += t->size; FootLoc(t) -> uplink = p; } if((p-1)->tag == 0 && (p+p->size)->tag == 0) { // 释放块的左右邻块均为空闲块 printf("释放块的左右邻块均为空闲块./n"); n = p->size; s = (p-1)->uplink; t = p+p->size; s ->size += n + t ->size; q = t ->link; ql = t ->rlink; q ->rlink = ql; ql ->link = q; FootLoc(t) ->uplink = s; } return 0;}Space DuSort( WORD *pav ) // 双链表排序{ Space p,q; p = NULL; q = pav ->rlink; if(!pav) return NULL; // 如果为空链表，则返回空 while(q -> rlink != q->link) // { pav->link->rlink = pav->rlink; pav->rlink->link = pav->link; Insert(p,pav); pav = q; q = q->rlink; } Insert(p,q); // 将最后一个结点插入 return p;}void Insert(WORD *pav,WORD *p) // 插入排序，按照可用大小从小到大{ WORD *t; t = pav; if(!pav) { pav = p; pav ->rlink = pav ->link; } else { while(t->size<p->size) { t = t->rlink; } p ->rlink =t; p ->link = t->link; t ->link->rlink = p; t ->link = p; }}