操作系统中的内存分配算法（连续内存分配）

描述
连续内存分配是操作系统内存管理的基本方式之一，要求进程运行所需的内存必须位于一个连续的内存区域中。当多个进程需要加载到内存时，操作系统需要选择合适的空闲内存块分配给进程，这涉及到三种常见的分配算法：首次适应（First Fit）、最佳适应（Best Fit）和最坏适应（Worst Fit）。理解这些算法的区别和优劣，有助于掌握内存碎片问题的成因与应对策略。

解题过程

1. 问题背景

   • 内存被划分为系统区和用户区，用户区用于存放进程。
   • 空闲内存块通过“空闲分区表”或“空闲分区链”记录（包含起始地址、大小和状态）。
   • 当进程申请内存时，操作系统需从空闲块中分配一块足够大的区域。分配后可能产生碎片（外部碎片）。

2. 首次适应算法（First Fit）

   • 核心思想：从内存低地址开始顺序查找，选择第一个能满足进程大小的空闲块。
   • 实现方式：
     1. 维护空闲分区链（按地址递增排序）。
     2. 从头遍历链表，找到第一个大小 ≥ 申请大小的空闲块。
     3. 若该块远大于需求，则将其分割为两部分：一部分分配给进程，剩余部分作为新空闲块保留。
   • 示例：
     假设空闲块链为：[地址0, 大小100KB] → [地址200KB, 大小50KB] → [地址300KB, 大小80KB]。
     进程申请30KB：
     • 检查第一个块（100KB ≥ 30KB），分配30KB，剩余70KB作为新空闲块（地址30KB）。
   • 特点：
     • 优点：分配速度快，保留高地址大空闲块。
     • 缺点：低地址易产生碎片（小空闲块密集）。

3. 最佳适应算法（Best Fit）

   • 核心思想：选择能满足进程需求的最小空闲块，以减少分割大块造成的浪费。
   • 实现方式：
     1. 维护空闲分区链（按大小递增排序）。
     2. 遍历链表，找到第一个大小 ≥ 申请大小的空闲块（即最小可行块）。
     3. 分配后若剩余空间过小（如小于阈值），可能直接全部分配以避免微碎片。
   • 示例：
     空闲块按大小排序：[50KB] → [80KB] → [100KB]。
     进程申请30KB：
     • 选择50KB的块（最小可行），分配后剩余20KB。
   • 特点：
     • 优点：尽量保留大块内存。
     • 缺点：产生大量微小碎片，遍历开销较大。

4. 最坏适应算法（Worst Fit）

   • 核心思想：选择最大的空闲块进行分配，使分割后剩余块仍足够大。
   • 实现方式：
     1. 维护空闲分区链（按大小递减排序）。
     2. 直接检查第一个块（最大块），若满足需求则分配。
   • 示例：
     空闲块按大小排序：[100KB] → [80KB] → [50KB]。
     进程申请30KB：
     • 选择100KB的块，分配后剩余70KB（仍为较大块）。
   • 特点：
     • 优点：减少微小碎片产生。
     • 缺点：大块内存可能被快速拆分，不利于大进程申请。

5. 算法对比与碎片问题

   • 外部碎片：所有算法均无法完全避免，需通过“紧凑技术”（移动进程合并碎片）解决。
   • 效率：首次适应算法实际应用最多（平衡速度与碎片）；最佳适应易产生无用小碎片；最坏适应适合中等负载场景。
   • 优化：现代操作系统常结合非连续分配（如分页）规避外部碎片。

总结
连续内存分配算法是内存管理的基础，选择策略需权衡分配速度、碎片化程度和系统负载。理解其原理有助于分析内存利用率问题，并为学习非连续分配（如分页）奠定基础。