メモリ管理とは

メモリ管理はリソース管理の一形態であり、特にコンピュータメモリまたは RAM の管理を指します。この問題の核心は、必要なときに割り当てシステムメモリを管理し、不要になったときに解放することです。最新のコンピューターでは、メモリ管理には、実行中の各プロセスの仮想アドレス指定システムの管理も含まれます。プログラミング言語に応じて、メモリ管理は手動、自動、またはその両方になります。

メモリ管理は何をしますか?

すべてのコンピューターには、実行中のすべてのプロセスで共有する必要があるメモリの供給が限られています。メモリ管理により、この限られたリソースが不要になったときに解放されます。C などの多くの古い言語は、手動のメモリ管理に重点を置いています。これは、アプリケーションの開発者が、メモリに格納する必要がある値にリソースを明確に割り当てる必要があることを意味します。これらの変数が不要になったら、開発者はメモリを再度解放する必要があります。

手動メモリ管理のその他の要因の 1 つは、メモリを解放する前に変数を初期化し、データをクリアする必要があることです。たとえば、メモリを変数に割り当てると、メモリアドレスが割り当てられます。それ以上のアクションは実行されないため、このメモリアドレスには、以前に使用されたがクリアされていない値が含まれている可能性があります。初期化されていないメモリ内のデータを操作すると、予期しない結果が生じる可能性があり、ガベージ応答やプログラムのクラッシュが発生する可能性があります。データをメモリに入れようとしても、変数に割り当てられたスペース全体を埋めないと、使用しなかったスペースに初期化されていないデータが含まれる可能性があります。これを回避するには、メモリを手動で管理するときに変数を初期化することが重要です。

ヒント: 変数の初期化は、変数を既知の初期値に設定するプロセスであり、通常は変数をクリアします。

Python などの最新の言語は、自動メモリ管理を使用する傾向があります。これにより、すべての初期化とガベージコレクションの手順がバックグラウンドで自動的に実行されます。これにより、開発の複雑さが軽減されますが、パフォーマンスに多少影響する可能性があり、開発者が直接制御することはやや少なくなります。

メモリ管理の問題

メモリ管理の混乱が潜在的に深刻な問題を引き起こす可能性があるいくつかの方法があります。たとえば、初期化されていないメモリを使用すると、未定義の動作が発生する可能性があります。逆に、解放する前にメモリをクリアしないと、メモリのそのセクションを使用しようとする次のアプリケーションにデータがリークする可能性があります。

メモリロケーションが不要になったら、解放する必要があります。これにより、コンピューターは必要に応じて他のソフトウェアに再割り当てできます。自分で不要なメモリをクリーンアップしない場合、これはメモリリークと呼ばれます。これは、プロセスが終了するとメモリが解放されるため、実行時間の短いプログラムでは必ずしも大きな問題ではありません。しかし、実行時間の長いソフトウェアの場合、コンピュータが使い果たされるまでシステムメモリがますます消費され、通常はソフトウェアがクラッシュします。

変数に格納するデータが、その変数に割り当てられたメモリ内に収まるようにすることが重要です。3 文字を保持するように設計された変数に 20 文字を書き込もうとすると、これはバッファオーバーフローです。バッファオーバーフローは、隣接するメモリアドレスに影響を与え、メモリの破損を引き起こす可能性があります。

メモリ管理の問題により、意図しない動作が発生します。これは、主にクラッシュまたはエラーの形を取ります。ただし、最悪のシナリオでは、コード実行の脆弱性が発生する可能性があります。意図しない動作が予測可能な場合、特定の入力を提供して、プログラムが悪意のあるコードを実行する可能性があります。そのため、安全なコードを開発するには、適切なメモリ管理が重要です。

仮想メモリ

メモリ管理の隠れた要素の 1 つは、仮想メモリの使用です。仮想メモリは、アプリケーションではなくオペレーティングシステムによって管理されます。つまり、開発者は仮想メモリに実際に影響を与えることはできません。実際の物理メモリアドレスが割り当てられる代わりに、各プロセスには独自のメモリアドレス空間が割り当てられます。オペレーティングシステムは、メモリにアクセスする必要があるたびに、仮想アドレスを物理アドレスに変換します。

仮想メモリを使用する主な利点の 1 つは、プロセス間でメモリアドレス空間を分割できることです。これにより、あるプロセスが別のプロセスのメモリを読み取ることができなくなります。通常、正当なソフトウェアでは問題になりませんが、これはマルウェアや不正なソフトウェアが感染したり、他のプログラムからデータを盗んだりするのを防ぐのに役立ちます。また、バッファオーバーフローが別のプロセスに影響を与えるのを防ぐのにも役立ちます。

追加の利点として、仮想メモリアドレスを使用すると、オペレーティングシステムは必要に応じて格納されるデータの物理的な場所を調整できます。これは通常、メモリリソースが圧迫されている場合に、ほとんど使用されないメモリをストレージドライブ上のページまたはスワップファイルに転送するために使用されます。ストレージは実際の RAM よりも遅いため、これらの仮想メモリアドレスが必要な場合にパフォーマンスが低下しますが、システムやアプリケーションのクラッシュも防止できます。これは一般的に推奨されます。

結論

メモリ管理は、システム RAM の限られたリソースを管理するプロセスです。ソフトウェアでは、これは一般に自動的に実行されますが、一部のプログラミング言語ではメモリの手動管理が許可または必要とされます。メモリの管理を誤ると、さまざまなメモリ破損の問題が発生し、コード実行の脆弱性が発生する可能性があります。オペレーティングシステムは、仮想アドレスの形式で一部のメモリ管理も実行します。これにより、各プロセスのメモリを分離できます。これは、便利なセキュリティ機能です。また、オペレーティングシステムは、実際のプロセスに影響を与えることなく、データの物理的な場所を調整できます。