Was ist Speicherverwaltung?

Die Speicherverwaltung ist eine Form der Ressourcenverwaltung, die sich speziell auf die Verwaltung des Computerspeichers oder RAM bezieht. Der Kern des Problems besteht darin, den Speicher des Zuweisungssystems zu verwalten, wenn er benötigt wird, und seine Freigabe, wenn er nicht mehr benötigt wird. In modernen Computern umfasst die Speicherverwaltung auch die Verwaltung des virtuellen Adressierungssystems für jeden laufenden Prozess. Abhängig von der Programmiersprache kann die Speicherverwaltung manuell, automatisch oder beides sein.

Was macht die Speicherverwaltung?

Jeder Computer verfügt über einen begrenzten Speicherplatz, der von allen laufenden Prozessen gemeinsam genutzt werden muss. Die Speicherverwaltung stellt sicher, dass diese begrenzte Ressource freigegeben wird, wenn sie nicht mehr benötigt wird. Viele ältere Sprachen wie C konzentrieren sich auf die manuelle Speicherverwaltung. Das bedeutet, dass der Entwickler der Anwendung speziell Ressourcen für Werte zuweisen muss, die im Speicher gespeichert werden müssen. Werden diese Variablen nicht mehr benötigt, muss der Entwickler auch den Speicher wieder freigeben.

Einer der anderen Faktoren der manuellen Speicherverwaltung ist die Notwendigkeit, Variablen zu initialisieren und Daten zu löschen, bevor der Speicher freigegeben wird. Wenn Sie beispielsweise einer Variablen Speicher zuweisen, wird eine Speicheradresse zugewiesen. Es werden keine weiteren Aktionen durchgeführt, daher kann diese Speicheradresse Werte aus ihrer vorherigen Verwendung enthalten, die nie gelöscht wurden. Die Bearbeitung der Daten im nicht initialisierten Speicher kann zu unvorhersehbaren Ergebnissen führen, die fehlerhafte Antworten und Programmabstürze beinhalten können. Selbst wenn Sie versuchen, Daten in den Speicher zu schreiben, kann der nicht verwendete Platz nicht initialisierte Daten enthalten, wenn Sie nicht den gesamten der Variablen zugewiesenen Platz ausfüllen. Um dies zu vermeiden, ist es wichtig, Variablen bei der manuellen Speicherverwaltung zu initialisieren.

Tipp: Beim Initialisieren einer Variablen wird eine Variable auf einen bekannten Startwert gesetzt und normalerweise gelöscht.

Modernere Sprachen wie Python verwenden in der Regel eine automatische Speicherverwaltung. Dadurch werden automatisch alle Initialisierungs- und Garbage-Collection-Prozeduren im Hintergrund ausgeführt. Dies reduziert die Komplexität der Entwicklung, kann jedoch die Leistung etwas beeinträchtigen und gibt dem Entwickler etwas weniger direkte Kontrolle.

Probleme mit der Speicherverwaltung

Es gibt einige Möglichkeiten, wie das Durcheinander der Speicherverwaltung potenziell schwerwiegende Probleme verursachen kann. Die Verwendung von nicht initialisiertem Speicher kann beispielsweise zu undefiniertem Verhalten führen. Umgekehrt können Daten möglicherweise an die nächste Anwendung weitergegeben werden, die versucht, diesen Abschnitt des Speichers zu verwenden, wenn Sie den Speicher nicht löschen, bevor Sie ihn freigeben.

Sobald ein Speicherplatz nicht mehr benötigt wird, sollte er freigegeben werden. Dadurch kann der Computer es bei Bedarf einer anderen Software zuweisen. Wenn Sie unnötigen Speicher nicht nach sich selbst bereinigen, wird dies als Speicherleck bezeichnet. Dies ist nicht unbedingt ein großes Problem in kurz laufenden Programmen, da der Speicher freigegeben wird, sobald der Prozess beendet ist. Bei Software mit langer Laufzeit kann dies jedoch dazu führen, dass immer mehr Systemspeicher verbraucht wird, bis der Computer leer ist, was normalerweise zum Absturz der Software führt.

Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Daten, die Sie in einer Variablen speichern, in den dieser Variablen zugewiesenen Speicher passen. Wenn Sie eine Variable haben, die für drei Zeichen ausgelegt ist, und versuchen, zwanzig Zeichen darin zu schreiben, ist dies ein Pufferüberlauf. Pufferüberläufe können sich auf benachbarte Speicheradressen auswirken, was zu einer Speicherbeschädigung führt.

Speicherverwaltungsprobleme führen zu unbeabsichtigtem Verhalten. Dies äußert sich in erster Linie in Form von Abstürzen oder Fehlern. Im schlimmsten Fall kann dies jedoch zu Sicherheitslücken bei der Codeausführung führen. Wenn das unbeabsichtigte Verhalten vorhersehbar ist, kann es möglich sein, eine bestimmte Eingabe bereitzustellen, die dazu führt, dass das Programm bösartigen Code ausführt. Daher ist eine gute Speicherverwaltung bei der Entwicklung von sicherem Code wichtig.

Virtueller Speicher

Einer der versteckten Faktoren der Speicherverwaltung ist die Verwendung von virtuellem Speicher. Der virtuelle Speicher wird eher vom Betriebssystem als von der Anwendung verwaltet, was bedeutet, dass Entwickler ihn nicht wirklich beeinflussen können. Anstatt den tatsächlichen physikalischen Speicheradressen zugewiesen zu werden, wird jedem Prozess sein eigener eindeutiger Speicheradressraum zugewiesen. Das Betriebssystem wandelt dann die virtuelle Adresse in eine physische Adresse um, wann immer es auf den Speicher zugreifen muss.

Einer der Hauptvorteile der Verwendung von virtuellem Speicher besteht darin, dass der Speicheradressraum zwischen Prozessen segmentiert wird. Dadurch wird verhindert, dass ein Prozess den Speicher eines anderen lesen kann. Obwohl dies für legitime Software im Allgemeinen kein Problem darstellt, trägt dies zum Schutz vor Malware und bösartiger Software bei, die Daten von anderen Programmen infiziert oder stiehlt. Es hilft auch zu verhindern, dass Pufferüberläufe verschiedene Prozesse beeinträchtigen.

Als zusätzlichen Vorteil ermöglicht die Verwendung virtueller Speicheradressen dem Betriebssystem, den physischen Speicherort der zu speichernden Daten nach Bedarf anzupassen. Dies wird im Allgemeinen verwendet, um selten genutzten Speicher in eine Auslagerungs- oder Auslagerungsdatei auf einem Speicherlaufwerk zu übertragen, wenn die Speicherressourcen angespannt sind. Dies beeinträchtigt die Leistung, wenn diese virtuellen Speicheradressen benötigt werden, da der Speicher langsamer als echter RAM ist, aber es verhindert auch System- oder Anwendungsabstürze, was im Allgemeinen bevorzugt wird.

Abschluss

Speicherverwaltung ist der Prozess der Verwaltung der begrenzten Ressource des System-RAM. In der Software wird dies heute im Allgemeinen automatisch durchgeführt, jedoch erlauben oder erfordern einige Programmiersprachen die manuelle Verwaltung des Speichers. Eine falsche Speicherverwaltung kann zu einer Vielzahl von Speicherbeschädigungsproblemen und möglicherweise zu Sicherheitslücken bei der Codeausführung führen. Das Betriebssystem führt auch eine gewisse Speicherverwaltung in Form von virtuellen Adressen durch. Dies ermöglicht es, den Speicher jedes Prozesses zu trennen, eine nützliche Sicherheitsfunktion. Es ermöglicht dem Betriebssystem auch, den physischen Speicherort von Daten anzupassen, ohne den eigentlichen Prozess zu beeinträchtigen.