Co to jest zarządzanie pamięcią?

Zarządzanie pamięcią jest formą zarządzania zasobami, odnoszącą się konkretnie do zarządzania pamięcią komputera lub pamięcią RAM. Istotą problemu jest zarządzanie pamięcią systemu alokacji, gdy jest potrzebna i jej zwalnianiem, gdy nie jest już potrzebna. W nowoczesnych komputerach zarządzanie pamięcią obejmuje również zarządzanie wirtualnym systemem adresowania dla każdego uruchomionego procesu. W zależności od języka programowania zarządzanie pamięcią może być ręczne, automatyczne lub oba.

Co robi zarządzanie pamięcią?

Każdy komputer ma ograniczoną ilość pamięci, która musi być współużytkowana przez wszystkie uruchomione procesy. Zarządzanie pamięcią gwarantuje, że ten ograniczony zasób jest zwalniany, gdy nie jest już potrzebny. Wiele starszych języków, takich jak C, koncentruje się na ręcznym zarządzaniu pamięcią. Oznacza to, że twórca aplikacji musi specjalnie przydzielić zasoby dla wartości, które muszą być przechowywane w pamięci. Gdy te zmienne nie są już potrzebne, programista musi ponownie zwolnić pamięć.

Jednym z innych czynników ręcznego zarządzania pamięcią jest konieczność inicjalizacji zmiennych i wyczyszczenia danych przed zwolnieniem pamięci. Na przykład, jeśli alokujesz pamięć do zmiennej, przypisywany jest adres pamięci. Żadne dalsze działania nie są podejmowane, więc ten adres pamięci może zawierać wartości z poprzedniego użycia, które nigdy nie zostały wyczyszczone. Działanie na danych w niezainicjowanej pamięci może mieć nieprzewidywalne skutki, które mogą obejmować odpowiedzi na śmieci i awarie programów. Nawet jeśli spróbujesz umieścić dane w pamięci, jeśli nie zapełnisz całej przestrzeni przydzielonej zmiennej, miejsce, którego nie wykorzystałeś, może zawierać niezainicjowane dane. Aby tego uniknąć, ważne jest inicjowanie zmiennych podczas ręcznego zarządzania pamięcią.

Porada: Inicjowanie zmiennej to proces ustawiania zmiennej na znaną wartość początkową, zazwyczaj jej wyczyszczenie.

Bardziej nowoczesne języki, takie jak Python, zwykle używają automatycznego zarządzania pamięcią. Spowoduje to automatyczne uruchomienie wszystkich procedur inicjalizacji i usuwania śmieci w tle. Zmniejsza to złożoność programowania, jednak może nieco wpłynąć na wydajność i daje programiście nieco mniejszą bezpośrednią kontrolę.

Problemy z zarządzaniem pamięcią

Istnieje kilka sposobów, w jakie zepsucie zarządzania pamięcią może spowodować potencjalnie poważne problemy. Na przykład użycie niezainicjowanej pamięci może prowadzić do niezdefiniowanego zachowania. I odwrotnie, niewyczyszczenie pamięci przed jej zwolnieniem może spowodować wyciek danych do następnej aplikacji, która spróbuje użyć tej sekcji pamięci.

Gdy lokalizacja pamięci nie jest już potrzebna, należy ją zwolnić. Pozwala to komputerowi na ponowne przypisanie go do innego oprogramowania w razie potrzeby. Jeśli nie wyczyścisz po sobie niepotrzebnej pamięci, nazywa się to wyciekiem pamięci. Niekoniecznie jest to duży problem w krótko działających programach, ponieważ po zakończeniu procesu pamięć zostanie zwolniona. Jednak w przypadku długo działającego oprogramowania może to spowodować zużywanie coraz większej ilości pamięci systemowej, aż do wyczerpania komputera, co zwykle prowadzi do awarii oprogramowania.

Ważne jest, aby dane przechowywane w zmiennej mieściły się w pamięci przydzielonej tej zmiennej. Jeśli masz zmienną przeznaczoną do przechowywania trzech znaków i próbujesz zapisać do niej dwadzieścia znaków, jest to przepełnienie bufora. Przepełnienie bufora może wpływać na sąsiednie adresy pamięci, powodując uszkodzenie pamięci.

Problemy z zarządzaniem pamięcią skutkują niezamierzonym zachowaniem. Przybiera to głównie formę awarii lub błędów. W najgorszym przypadku może to jednak spowodować luki w zabezpieczeniach wykonania kodu. Jeśli można przewidzieć niezamierzone zachowanie, możliwe jest podanie określonych danych wejściowych, które spowodują wykonanie przez program złośliwego kodu. W związku z tym dobre zarządzanie pamięcią jest ważne przy opracowywaniu bezpiecznego kodu.

Pamięć wirtualna

Jednym z ukrytych czynników zarządzania pamięcią jest wykorzystanie pamięci wirtualnej. Pamięć wirtualna jest zarządzana przez system operacyjny, a nie aplikację, co oznacza, że ​​programiści nie mogą tak naprawdę na nią wpływać. Zamiast przypisywania rzeczywistych adresów pamięci fizycznej, każdemu procesowi przypisywana jest jego własna unikalna przestrzeń adresowa pamięci. Następnie system operacyjny konwertuje adres wirtualny na adres fizyczny, ilekroć potrzebuje dostępu do pamięci.

Jedną z kluczowych zalet korzystania z pamięci wirtualnej jest segmentacja przestrzeni adresowej pamięci między procesami. Uniemożliwia to jednemu procesowi odczytywanie pamięci innego. Chociaż ogólnie nie stanowi to problemu w przypadku legalnego oprogramowania, pomaga to chronić przed złośliwym oprogramowaniem i nieuczciwym oprogramowaniem infekującym lub kradnącym dane z innych programów. Pomaga również zapobiegać wpływowi przepełnienia bufora na różne procesy.

Dodatkową korzyścią jest to, że używanie adresów pamięci wirtualnej umożliwia systemowi operacyjnemu dostosowywanie fizycznej lokalizacji przechowywanych danych w razie potrzeby. Zwykle jest to używane do przenoszenia rzadko używanej pamięci do strony lub pliku wymiany na dysku pamięci masowej, gdy zasoby pamięci są obciążone. Powoduje to spadek wydajności, gdy potrzebne są te adresy pamięci wirtualnej, ponieważ pamięć jest wolniejsza niż prawdziwa pamięć RAM, ale zapobiega również awariom systemu lub aplikacji, co jest ogólnie preferowane.

Wniosek

Zarządzanie pamięcią to proces zarządzania ograniczonymi zasobami systemowej pamięci RAM. W oprogramowaniu jest to obecnie generalnie wykonywane automatycznie, jednak niektóre języki programowania umożliwiają lub wymagają ręcznego zarządzania pamięcią. Niewłaściwe zarządzanie pamięcią może prowadzić do wielu problemów z uszkodzeniem pamięci i potencjalnie do luk w zabezpieczeniach związanych z wykonywaniem kodu. System operacyjny wykonuje również pewne zarządzanie pamięcią w postaci adresów wirtualnych. Pozwala to na segregację pamięci każdego procesu, co jest przydatną funkcją bezpieczeństwa. Pozwala również systemowi operacyjnemu dostosować fizyczną lokalizację danych bez wpływu na rzeczywisty proces.