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操作系统资源分配：图解常见分配策略与实战案例

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在操作系统中，资源分配是核心问题之一。操作系统需要合理地分配资源，以确保系统的稳定性和效率。本文将详细介绍几种常见的资源分配策略，并通过图解和实战案例帮助读者更好地理解这些策略。

1. 分时分配策略

1.1 定义

分时分配策略是指操作系统将CPU时间分配给多个进程，使每个进程都能在短时间内得到CPU执行的机会。

1.2 工作原理

  • 进程进入就绪队列。
  • 操作系统按照一定的调度算法，如先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）等，将CPU时间分配给就绪队列中的进程。
  • 当一个进程执行完毕或等待时间达到一定阈值时，操作系统将其从运行状态转移到就绪队列。

1.3 实战案例

案例：短作业优先调度算法

# 定义进程类
class Process:
    def __init__(self, name, arrival_time, burst_time):
        self.name = name
        self.arrival_time = arrival_time
        self.burst_time = burst_time

# 定义短作业优先调度算法
def sjf(process_list):
    process_list.sort(key=lambda x: x.burst_time)
    completion_time = 0
    for process in process_list:
        process.completion_time = completion_time
        completion_time += process.burst_time
    return process_list

# 测试数据
process_list = [
    Process("P1", 0, 3),
    Process("P2", 1, 6),
    Process("P3", 4, 4),
    Process("P4", 6, 5),
    Process("P5", 8, 2)
]

# 调用算法
result = sjf(process_list)

# 打印结果
for process in result:
    print(f"进程 {process.name} 的完成时间为：{process.completion_time}")

2. 分页分配策略

2.1 定义

分页分配策略是指操作系统将物理内存划分为若干个大小相等的页框，并将进程的虚拟内存划分为若干个大小相等的页面。当进程需要访问内存时，操作系统根据需要将页面从磁盘加载到内存中。

2.2 工作原理

  • 将进程的虚拟内存划分为若干个页面。
  • 将物理内存划分为若干个页框。
  • 当进程访问一个页面时，操作系统检查该页面是否已在内存中。如果不在，则将其从磁盘加载到内存中的一个空闲页框中。
  • 如果内存中没有空闲页框，则根据一定的页面替换算法（如LRU、FIFO等）替换一个页面。

2.3 实战案例

案例：FIFO页面替换算法

# 定义页面类
class Page:
    def __init__(self, frame):
        self.frame = frame

# 定义FIFO页面替换算法
def fifo(page_list, frames):
    page_list.sort(key=lambda x: x.frame)
    for frame in frames:
        if frame not in page_list:
            page_list.append(Page(frame))
            if len(page_list) > frames:
                page_list.pop(0)
    return page_list

# 测试数据
page_list = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
frames = [0, 1, 2, 3, 4]

# 调用算法
result = fifo(page_list, frames)

# 打印结果
for page in result:
    print(f"页面 {page.frame} 已加载到内存")

3. 分区分配策略

3.1 定义

分区分配策略是指操作系统将物理内存划分为若干个大小不等的区域，并将进程分配到这些区域中。

3.2 工作原理

  • 将物理内存划分为若干个区域。
  • 根据进程的大小，将进程分配到合适的区域中。
  • 如果一个区域不足以容纳进程，则操作系统会分配多个区域。

3.3 实战案例

案例：固定分区分配策略

# 定义进程类
class Process:
    def __init__(self, name, size):
        self.name = name
        self.size = size

# 定义固定分区分配策略
def fixed_partition(process_list, partition_list):
    for process in process_list:
        for partition in partition_list:
            if partition >= process.size:
                partition -= process.size
                print(f"进程 {process.name} 已分配到区域 {partition}")
                break
    return partition_list

# 测试数据
process_list = [
    Process("P1", 10),
    Process("P2", 20),
    Process("P3", 30),
    Process("P4", 40)
]
partition_list = [50, 60, 70, 80]

# 调用算法
result = fixed_partition(process_list, partition_list)

# 打印结果
for partition in result:
    print(f"区域 {partition} 的剩余空间为：{partition}")

总结

本文介绍了三种常见的操作系统资源分配策略：分时分配、分页分配和分区分配。通过图解和实战案例，读者可以更好地理解这些策略的原理和应用。在实际应用中，操作系统会根据具体情况选择合适的资源分配策略，以实现系统的稳定性和效率。

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