什么是内存分配算法？首次适应、最佳适应、最坏适应

云计算练习生2026-10-15 10:47

这是"操作系统系列教程"的第三十七篇。前面几篇我们讲了分页、分段、段页式、页表、缺页中断、页面置换算法、内存碎片和交换空间。这些机制解决的是"内存怎么用"的问题。但还有一个更基础的问题没有回答：当程序需要一块内存时，操作系统到底怎么从空闲内存中找到一块合适的区域分配给它？这就是------内存分配算法要解决的问题。

一个"找车位"的问题

先来想象一个场景。你开车去商场，停车场里有很多空位，但大小不一、位置分散。你需要找一个车位停车。你会怎么找？

  • 方式一：从入口开始，看到第一个能停进去的车位就停。简单快速，但可能把大车位占用了，后面来了一辆大车就停不进去。
  • 方式二：转一圈，找一个大小最接近你车长的车位。浪费最少，但找起来费时间。
  • 方式三：找一个最大的车位停进去。这样剩下的车位还很大，但大车位很快就被用完了。

这三种方式，对应操作系统中的三种经典内存分配算法：首次适应 （First Fit）、最佳适应 （Best Fit）和最坏适应（Worst Fit）。

内存分配算法是操作系统内存管理的基础。无论是分页、分段，还是动态分区，都需要一套算法来决定"从空闲内存中选哪一块"分配给请求者。选得好，内存利用率高，碎片少；选得不好，内存浪费严重，甚至无法满足分配请求。

这篇文章，我们就来把"内存分配算法"这件事讲清楚。

说明：本文涉及动态分区、空闲链表、碎片等概念。初学者如果遇到暂时看不懂的术语，可以先跳过细节，重点理解"操作系统从空闲内存中选一块分配给程序，不同选择策略就是不同的分配算法"这一核心思想。

一、内存分配算法到底是什么？

1.1 从"空闲内存管理"说起

在动态分区分配中，操作系统维护一张空闲分区表 或空闲分区链表，记录当前所有空闲内存块的位置和大小。

当程序请求一块大小为 N 的内存时，操作系统需要：

  1. 在空闲分区表/链表中查找；
  2. 找到一块大小 ≥ N 的空闲区域；
  3. 把这块区域的一部分（或全部）分配给程序；
  4. 更新空闲分区表/链表。

选择哪一块空闲区域，就是内存分配算法的核心问题。

1.2 内存分配算法的定义

给出一个正式的定义：

内存分配算法是操作系统在收到内存分配请求时，从空闲内存区域中选择一块合适的区域分配给请求者的策略。不同的选择策略会影响内存利用率、碎片数量和分配速度。

这个定义里有四个关键点：

  1. 分配请求：程序请求一块内存；
  2. 空闲区域：操作系统维护的空闲内存块；
  3. 选择策略：决定用哪一块；
  4. 影响：影响内存利用率、碎片和性能。

1.3 内存分配算法在系统中的位置

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操作系统
空闲分区表/链表
内存分配算法
选中一块空闲区域
分配给程序
更新空闲分区表/链表

图 1：内存分配算法在系统中的位置。 操作系统通过分配算法从空闲区域中选择一块分配给程序。

二、内存分配的三种基本策略

内存分配算法有很多种，但最基础、最经典的是三种：首次适应 、最佳适应 和最坏适应。它们的思想可以用一句话概括：

算法 核心思想
首次适应 找第一个够大的空闲块
最佳适应 找最接近请求大小的空闲块
最坏适应 找最大的空闲块

接下来，我们逐一详细讲解。

图 2：三种基本内存分配算法。

三、首次适应算法（First Fit）

3.1 算法思想

首次适应 （First Fit）的核心思想是：从空闲分区链表的头部开始查找，找到第一个大小 ≥ 请求大小的空闲块，就分配给它。

简单来说，就是"第一个够大的就给它"。

3.2 算法流程

空闲链表 操作系统 程序 空闲链表 操作系统 程序 #mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE p{margin:0;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .actor{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE text.actor>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .actor-line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .innerArc{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .messageLine0{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;stroke:#333;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .messageLine1{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:2,2;stroke:#333;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE #arrowhead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .sequenceNumber{fill:white;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE #sequencenumber{fill:#333;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE #crosshead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .messageText{fill:#333;stroke:none;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .labelBox{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .labelText,#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .labelText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .loopText,#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .loopText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .loopLine{stroke-width:2px;stroke-dasharray:2,2;stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .note{stroke:#aaaa33;fill:#fff5ad;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .noteText,#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .noteText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .activation0{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .activation1{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .activation2{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .actorPopupMenu{position:absolute;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .actorPopupMenuPanel{position:absolute;fill:#ECECFF;box-shadow:0px 8px 16px 0px rgba(0,0,0,0.2);filter:drop-shadow(3px 5px 2px rgb(0 0 0 / 0.4));}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .actor-man line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE .actor-man circle,#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;stroke-width:2px;}#mermaid-svg-WHP2B8VZYehZCVqE :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} altS \>= NS \< N loop遍历每个空闲块 请求大小 N从头开始遍历当前块大小 S选中该块分配成功继续下一个分配失败（无合适块）

图 3：首次适应算法的流程。

3.3 一个具体的例子

假设空闲分区链表如下（按地址顺序）：

空闲块 起始地址 大小
A 0x0000 100KB
B 0x1000 50KB
C 0x2000 200KB
D 0x3000 80KB

现在有一个程序请求 60KB 内存。

首次适应算法从头开始遍历：

  1. 块 A（100KB）≥ 60KB，选中 A；
  2. 从 A 中分配 60KB，剩余 40KB；
  3. 更新空闲链表：A 变为 40KB，B、C、D 不变。

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空闲块 A: 100KB
空闲块 B: 50KB
空闲块 C: 200KB
空闲块 D: 80KB
分配后 A: 40KB
空闲块 B: 50KB
空闲块 C: 200KB
空闲块 D: 80KB

图 4：首次适应算法示例。 请求 60KB，选中第一个够大的块 A。

3.4 首次适应的优缺点

优点 说明
实现简单 从头遍历，找到就分配
速度快 通常不需要遍历整个链表
大块保留 倾向于保留高地址的大空闲块
缺点 说明
低地址碎片多 低地址区域容易被反复分割，产生大量小碎片
分配不均匀 高地址区域很少被使用

关键特点 ：首次适应算法倾向于优先使用低地址的空闲区域，导致低地址区域碎片化严重，高地址区域保留大块空闲。

四、最佳适应算法（Best Fit）

4.1 算法思想

最佳适应 （Best Fit）的核心思想是：遍历整个空闲分区链表，找到大小最接近请求大小的空闲块，分配给它。

简单来说，就是"最合适的就给它"。这样分配的剩余空间最小，浪费最少。

4.2 算法流程

空闲链表 操作系统 程序 空闲链表 操作系统 程序 #mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 p{margin:0;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .actor{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 text.actor>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .actor-line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .innerArc{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .messageLine0{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;stroke:#333;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .messageLine1{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:2,2;stroke:#333;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 #arrowhead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .sequenceNumber{fill:white;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 #sequencenumber{fill:#333;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 #crosshead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .messageText{fill:#333;stroke:none;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .labelBox{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .labelText,#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .labelText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .loopText,#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .loopText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .loopLine{stroke-width:2px;stroke-dasharray:2,2;stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .note{stroke:#aaaa33;fill:#fff5ad;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .noteText,#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .noteText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .activation0{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .activation1{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .activation2{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .actorPopupMenu{position:absolute;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .actorPopupMenuPanel{position:absolute;fill:#ECECFF;box-shadow:0px 8px 16px 0px rgba(0,0,0,0.2);filter:drop-shadow(3px 5px 2px rgb(0 0 0 / 0.4));}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .actor-man line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 .actor-man circle,#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;stroke-width:2px;}#mermaid-svg-h5G9gKQ5P5O9n0O9 :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} loop遍历每个空闲块 请求大小 N遍历整个链表当前块大小 S记录最小满足 S >= N 的块选中最小满足的块分配成功

图 5：最佳适应算法的流程。

4.3 一个具体的例子

同样假设空闲分区链表如下：

空闲块 起始地址 大小
A 0x0000 100KB
B 0x1000 50KB
C 0x2000 200KB
D 0x3000 80KB

程序请求 60KB 内存。

最佳适应算法遍历整个链表：

  1. 块 A（100KB）≥ 60KB，候选，剩余 40KB；
  2. 块 B（50KB）< 60KB，跳过；
  3. 块 C（200KB）≥ 60KB，候选，剩余 140KB；
  4. 块 D（80KB）≥ 60KB，候选，剩余 20KB；
  5. 选择剩余最小的块 D，分配 60KB，剩余 20KB。

#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD p{margin:0;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .label text,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node rect,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node circle,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node ellipse,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node polygon,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .rough-node .label text,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node .label text,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .image-shape .label,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .rough-node .label,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node .label,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .image-shape .label,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .icon-shape,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .icon-shape p,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-NTxNmAAgTXrGJXHD :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} 分配 60KB
空闲块 A: 100KB
空闲块 B: 50KB
空闲块 C: 200KB
空闲块 D: 80KB
分配后 D: 20KB
空闲块 A: 100KB
空闲块 B: 50KB
空闲块 C: 200KB

图 6：最佳适应算法示例。 请求 60KB，选中剩余最小的块 D。

4.4 最佳适应的优缺点

优点 说明
浪费最少 分配的剩余空间最小
内存利用率高 每次分配都尽可能"刚好"
缺点 说明
外部碎片多 每次分配都留下很小的碎片
速度慢 需要遍历整个链表
小碎片无法利用 留下的碎片往往太小，无法再分配

关键特点：最佳适应算法每次都选择"最合适"的块，但留下的碎片也最小，最终会积累大量无法利用的小碎片，反而降低内存利用率。这就是所谓的"最佳适应算法并不最佳"。

五、最坏适应算法（Worst Fit）

5.1 算法思想

最坏适应 （Worst Fit）的核心思想是：遍历整个空闲分区链表，找到最大的空闲块，分配给它。

简单来说，就是"最大的就给它"。这样分配的剩余空间仍然很大，可以继续被利用。

5.2 算法流程

空闲链表 操作系统 程序 空闲链表 操作系统 程序 #mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 p{margin:0;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .actor{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 text.actor>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .actor-line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .innerArc{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .messageLine0{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;stroke:#333;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .messageLine1{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:2,2;stroke:#333;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 #arrowhead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .sequenceNumber{fill:white;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 #sequencenumber{fill:#333;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 #crosshead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .messageText{fill:#333;stroke:none;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .labelBox{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .labelText,#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .labelText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .loopText,#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .loopText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .loopLine{stroke-width:2px;stroke-dasharray:2,2;stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .note{stroke:#aaaa33;fill:#fff5ad;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .noteText,#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .noteText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .activation0{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .activation1{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .activation2{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .actorPopupMenu{position:absolute;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .actorPopupMenuPanel{position:absolute;fill:#ECECFF;box-shadow:0px 8px 16px 0px rgba(0,0,0,0.2);filter:drop-shadow(3px 5px 2px rgb(0 0 0 / 0.4));}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .actor-man line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 .actor-man circle,#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;stroke-width:2px;}#mermaid-svg-0e6KJvwdTlNRmIg4 :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} loop遍历每个空闲-块 请求大小 N遍历整个链表当前块大小 S记录最大的块选中最大的块分配成功

图 7：最坏适应算法的流程。

5.3 一个具体的例子

同样假设空闲分区链表如下：

空闲块 起始地址 大小
A 0x0000 100KB
B 0x1000 50KB
C 0x2000 200KB
D 0x3000 80KB

程序请求 60KB 内存。

最坏适应算法遍历整个链表：

  1. 最大的块是 C（200KB），选中 C；
  2. 从 C 中分配 60KB，剩余 140KB；
  3. 更新空闲链表：C 变为 140KB。

#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix p{margin:0;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .label text,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node rect,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node circle,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node ellipse,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node polygon,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .rough-node .label text,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node .label text,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .image-shape .label,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .rough-node .label,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node .label,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .image-shape .label,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .icon-shape,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .icon-shape p,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-8uEm1ASf9NxrUZix :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} 分配 60KB
空闲块 A: 100KB
空闲块 B: 50KB
空闲块 C: 200KB
空闲块 D: 80KB
分配后 C: 140KB
空闲块 A: 100KB
空闲块 B: 50KB
空闲块 D: 80KB

图 8：最坏适应算法示例。 请求 60KB，选中最大的块 C。

5.4 最坏适应的优缺点

优点 说明
剩余块大 分配后剩余空间仍较大，可继续利用
减少小碎片 避免产生太小无法使用的碎片
缺点 说明
大块很快耗尽 最大的块被反复分割，很快就没有大块了
速度慢 需要遍历整个链表
不适合大请求 大块耗尽后，大请求无法满足

关键特点：最坏适应算法每次都"砍"最大的块，导致大块很快消失。当后续有大请求时，可能无法满足。

六、三种算法的对比

6.1 用一个例子对比

假设空闲分区链表如下：

空闲块 大小
A 100KB
B 50KB
C 200KB
D 80KB

依次有请求：60KB、40KB、100KB。

首次适应：

  1. 60KB：选 A（100KB），剩余 40KB；
  2. 40KB：选 A 剩余（40KB），刚好；
  3. 100KB：选 C（200KB），剩余 100KB。

最佳适应：

  1. 60KB：选 D（80KB），剩余 20KB；
  2. 40KB：选 B（50KB），剩余 10KB；
  3. 100KB：选 C（200KB），剩余 100KB。

最坏适应：

  1. 60KB：选 C（200KB），剩余 140KB；
  2. 40KB：选 C 剩余（140KB），剩余 100KB；
  3. 100KB：选 A（100KB），刚好。

6.2 综合对比

对比项 首次适应 最佳适应 最坏适应
查找方式 从头找到第一个够大的 遍历找最接近的 遍历找最大的
查找速度 快 慢 慢
剩余碎片 低地址碎片多 小碎片多 大块耗尽快
内存利用率 较高 理论最高，实际较低 较低
大请求支持 好（保留大块） 中 差（大块耗尽）
实现复杂度 简单 中等 中等
实际应用 常用 较少 较少

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首次适应: 快, 低地址碎片多
最佳适应: 慢, 小碎片多
最坏适应: 慢, 大块耗尽快

图 9：三种内存分配算法的对比。

6.3 结论

首次适应算法通常是最好的选择，因为：

  • 实现简单，速度快；
  • 内存利用率较高；
  • 保留高地址的大块，有利于大请求。

最佳适应算法理论上浪费最少，但实际效果往往不好，因为它产生大量小碎片。

最坏适应算法很少使用，因为它很快耗尽大块，不利于后续大请求。

七、其他内存分配算法

除了三种基本算法，还有一些改进算法。

7.1 循环首次适应（Next Fit）

循环首次适应（Next Fit）是首次适应的改进版：不是每次从头开始查找，而是从上次分配的位置继续查找。

优点 ：分配更均匀，避免低地址碎片化。

缺点：大块可能被过早分割。

7.2 快速适应（Quick Fit）

快速适应（Quick Fit）维护多个空闲链表，每个链表对应一种常用大小。分配时直接在对应链表中查找。

优点 ：分配速度快。

缺点：链表维护复杂，合并困难。

7.3 伙伴系统（Buddy System）

伙伴系统（Buddy System）把内存按 2 的幂次划分，分配时找到最接近的 2 的幂次块。释放时，如果相邻的"伙伴"也空闲，就合并。

优点 ：分配和释放快，合并简单。

缺点：内部碎片较大（只能分配 2 的幂次大小）。

算法 优点 缺点
循环首次适应 分配均匀 大块易分割
快速适应 分配快 维护复杂
伙伴系统 合并简单 内部碎片大

图 10：其他常见的内存分配算法。

八、实际应用

8.1 Linux 中的内存分配

Linux 内核使用多种分配器：

分配器 用途
伙伴系统 管理物理页框
slab 分配器 管理小对象
slub 分配器 slab 的改进版，现代内核默认
vmalloc 分配虚拟地址连续但物理不连续的内存

8.2 用户态 malloc

C 标准库的 malloc() 底层使用内存分配器，如：

  • ptmalloc：glibc 默认分配器；
  • jemalloc：Facebook 开发，适合多线程；
  • tcmalloc：Google 开发，高性能。

这些分配器内部使用多种策略，包括首次适应、快速适应等。

c 复制代码 
// malloc 底层可能使用首次适应
void *ptr = malloc(1024);
// 分配器从空闲链表中找一块合适的

8.3 数据库中的内存分配

数据库系统有自己的内存池管理，通常使用伙伴系统 或slab 分配器，减少碎片并提高分配速度。
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Linux: 伙伴系统 + slab
用户态: ptmalloc/jemalloc/tcmalloc
数据库: 内存池

图 11：内存分配算法的实际应用。

九、常见误区澄清

误区 真相
"最佳适应算法是最好的" 理论上浪费最少，但实际产生大量小碎片
"首次适应算法效率低" 实际上首次适应速度快，内存利用率较高
"最坏适应算法能减少碎片" 它减少小碎片，但很快耗尽大块
"所有分配算法都用链表" 也有位图、树等实现方式
"分配算法只影响速度" 还影响内存利用率和碎片
"伙伴系统没有碎片" 有内部碎片，只能分配 2 的幂次大小
"malloc 就是系统调用" malloc 是库函数，底层调用 brk/mmap
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