Wat is geheugenbeheer?

Geheugenbeheer is een vorm van resourcebeheer, specifiek verwijzend naar het beheer van computergeheugen of RAM. De kern van het probleem is om het geheugen van het toewijzingssysteem te beheren wanneer het nodig is en het vrij te geven wanneer het niet langer nodig is. Bij moderne computers omvat geheugenbeheer ook het beheer van het virtuele adresseringssysteem voor elk lopend proces. Afhankelijk van de programmeertaal kan geheugenbeheer handmatig, automatisch of beide zijn.

Wat doet geheugenbeheer?

Elke computer heeft een beperkte geheugenvoorraad die moet worden gedeeld met alle lopende processen. Geheugenbeheer zorgt ervoor dat deze beperkte bron wordt vrijgemaakt wanneer deze niet langer nodig is. Veel oudere talen, zoals C, richten zich op handmatig geheugenbeheer. Dit betekent dat de ontwikkelaar van de toepassing specifiek bronnen moet toewijzen voor waarden die in het geheugen moeten worden opgeslagen. Zodra deze variabelen niet meer nodig zijn, moet de ontwikkelaar ook het geheugen weer vrijgeven.

Een van de andere factoren van handmatig geheugenbeheer is het initialiseren van variabelen en het wissen van gegevens voordat het geheugen wordt vrijgegeven. Als u bijvoorbeeld geheugen toewijst aan een variabele, wordt er een geheugenadres toegewezen. Er worden geen verdere acties ondernomen, dus dit geheugenadres kan waarden bevatten van het vorige gebruik die nooit zijn gewist. Handelen op de gegevens in niet-geïnitialiseerd geheugen kan onvoorspelbare resultaten hebben, wat ongewenste reacties en programmacrashes kan inhouden. Zelfs als u probeert gegevens in het geheugen te plaatsen, als u niet de hele ruimte opvult die aan de variabele is toegewezen, kan de ruimte die u niet gebruikt niet-geïnitialiseerde gegevens bevatten. Om dit te voorkomen, is het belangrijk om variabelen te initialiseren wanneer u handmatig geheugen beheert.

Tip: Het initialiseren van een variabele is het proces van het instellen van een variabele op een bekende startwaarde, waarbij deze doorgaans wordt gewist.

Modernere talen, zoals Python, hebben de neiging om automatisch geheugenbeheer te gebruiken. Dit voert automatisch alle initialisatie- en ophaalprocedures op de achtergrond uit. Dit vermindert de complexiteit van de ontwikkeling, maar kan de prestaties enigszins beïnvloeden en geeft iets minder directe controle aan de ontwikkelaar.

Problemen met geheugenbeheer

Er zijn een paar manieren waarop het verprutsen van geheugenbeheer potentieel ernstige problemen kan veroorzaken. Het gebruik van niet-geïnitialiseerd geheugen kan bijvoorbeeld leiden tot ongedefinieerd gedrag. Omgekeerd kan het niet wissen van het geheugen voordat het wordt vrijgegeven mogelijk gegevens lekken naar de volgende toepassing die dat gedeelte van het geheugen probeert te gebruiken.

Zodra een geheugenlocatie niet langer nodig is, moet deze worden vrijgegeven. Hierdoor kan de computer het naar behoefte opnieuw toewijzen aan andere software. Als u onnodig geheugen na uzelf niet opruimt, wordt dit een geheugenlek genoemd. Dit hoeft niet per se een groot probleem te zijn bij kortlopende programma's, want zodra het proces is beëindigd, wordt het geheugen vrijgegeven. Maar voor langlopende software kan dit uiteindelijk steeds meer systeemgeheugen in beslag nemen, totdat de computer leeg raakt, wat meestal resulteert in het crashen van de software.

Het is belangrijk ervoor te zorgen dat de gegevens die u in een variabele opslaat, passen in het geheugen dat aan die variabele is toegewezen. Als u een variabele hebt die is ontworpen om drie tekens te bevatten en u probeert er twintig tekens naar toe te schrijven, is dit een bufferoverloop. Bufferoverflows kunnen aangrenzende geheugenadressen beïnvloeden, wat kan leiden tot geheugenbeschadiging.

Problemen met geheugenbeheer leiden tot onbedoeld gedrag. Dit neemt voornamelijk de vorm aan van crashes of fouten. In worstcasescenario's kan dit echter leiden tot kwetsbaarheden in de uitvoering van code. Als het onbedoelde gedrag voorspelbaar is, is het wellicht mogelijk om een ​​specifieke invoer te leveren die ertoe leidt dat het programma schadelijke code uitvoert. Daarom is goed geheugenbeheer belangrijk bij het ontwikkelen van veilige code.

Virtueel geheugen

Een van de verborgen factoren van geheugenbeheer is het gebruik van virtueel geheugen. Virtueel geheugen wordt beheerd door het besturingssysteem in plaats van door de applicatie, wat betekent dat ontwikkelaars er niet echt invloed op kunnen uitoefenen. In plaats van echte fysieke geheugenadressen toegewezen te krijgen, krijgt elk proces zijn eigen unieke geheugenadresruimte toegewezen. Het besturingssysteem converteert vervolgens het virtuele adres naar een fysiek adres wanneer het geheugen nodig heeft.

Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van virtueel geheugen is dat het de geheugenadresruimte tussen processen segmenteert. Dit voorkomt dat het ene proces het geheugen van een ander kan lezen. Hoewel dit over het algemeen geen probleem is voor legitieme software, helpt dit bij het beschermen tegen malware en frauduleuze software die gegevens van andere programma's infecteert of steelt. Het helpt ook om te voorkomen dat bufferoverflows verschillende processen beïnvloeden.

Als extra voordeel stelt het besturingssysteem door gebruik te maken van virtuele geheugenadressen in staat om de fysieke locatie van de gegevens die worden opgeslagen naar behoefte aan te passen. Dit wordt over het algemeen gebruikt om zelden gebruikt geheugen over te zetten naar een pagina of wisselbestand op een opslagstation wanneer de geheugenbronnen onder druk staan. Dit heeft een nadelige invloed op de prestaties wanneer die virtuele geheugenadressen nodig zijn, omdat opslag langzamer is dan echte RAM, maar het voorkomt ook systeem- of applicatiecrashes, wat over het algemeen de voorkeur heeft.

Conclusie

Geheugenbeheer is het proces van het beheren van de beperkte bron van systeem-RAM. In software wordt dit nu over het algemeen automatisch uitgevoerd, maar sommige programmeertalen staan ​​of vereisen handmatig geheugenbeheer. Verkeerd geheugenbeheer kan leiden tot een groot aantal problemen met geheugenbeschadiging en mogelijk tot kwetsbaarheden voor het uitvoeren van code. Het besturingssysteem voert ook enig geheugenbeheer uit in de vorm van virtuele adressen. Hierdoor kan het geheugen van elk proces worden gescheiden, een handige beveiligingsfunctie. Het stelt het besturingssysteem ook in staat om de fysieke locatie van gegevens aan te passen zonder het daadwerkelijke proces te beïnvloeden.