Какво е управление на паметта?

Управлението на паметта е форма на управление на ресурсите, отнасящо се конкретно до управлението на компютърната памет или RAM. Същността на проблема е да се управлява паметта на системата за разпределение, когато е необходима, и нейното освобождаване, когато вече не е необходима. В съвременните компютри управлението на паметта също включва управление на виртуалната система за адресиране за всеки работещ процес. В зависимост от езика за програмиране управлението на паметта може да бъде ръчно, автоматично или и двете.

Какво прави управлението на паметта?

Всеки компютър разполага с ограничен запас от памет, която трябва да се споделя между всички работещи процеси. Управлението на паметта гарантира, че този ограничен ресурс се освобождава, когато вече не е необходим. Много по-стари езици, като C, се фокусират върху ръчното управление на паметта. Това означава, че разработчикът на приложението трябва специално да разпредели ресурси за стойности, които трябва да се съхраняват в паметта. След като тези променливи вече не са необходими, разработчикът също трябва да освободи паметта отново.

Един от другите фактори на ръчното управление на паметта е необходимостта от инициализиране на променливи и изчистване на данни преди освобождаване на паметта. Например, ако разпределите памет за променлива, се присвоява адрес на паметта. Не се предприемат допълнителни действия, така че този адрес на паметта може да съдържа стойности от предишната си употреба, които никога не са били изчистени. Действието върху данните в неинициализираната памет може да има непредсказуеми резултати, които могат да включват реакции на боклук и сривове на програмата. Дори ако се опитате да поставите данни в паметта, ако не запълните цялото пространство, разпределено за променливата, пространството, което не сте използвали, може да съдържа неинициализирани данни. За да избегнете това, важно е да инициализирате променливите, когато ръчно управлявате паметта.

Съвет: Инициализирането на променлива е процес на задаване на променлива на известна начална стойност, като обикновено се изчиства.

По-модерните езици, като Python, са склонни да използват автоматично управление на паметта. Това автоматично изпълнява всички процедури за инициализация и събиране на отпадъци във фонов режим. Това намалява сложността на разработката, но може да повлияе до известна степен на производителността и дава малко по-малко пряк контрол на разработчика.

Проблеми с управлението на паметта

Има няколко начина, по които объркването на управлението на паметта може да причини потенциално сериозни проблеми. Използването на неинициализирана памет, например, може да доведе до недефинирано поведение. Обратно, ако не изчистите паметта, преди да я освободите, може потенциално да изтекат данни към следващото приложение, което се опитва да използва тази част от паметта.

След като място в паметта вече не е необходимо, то трябва да бъде освободено. Това позволява на компютъра да го преназначи към друг софтуер, ако е необходимо. Ако не почистите ненужната памет след себе си, това се нарича изтичане на памет. Това не е непременно голям проблем при краткотрайни програми, тъй като след като процесът приключи, паметта ще бъде освободена. Но за дълго работещ софтуер това може да доведе до изразходване на все повече и повече системна памет, докато компютърът се изчерпи, което обикновено води до срив на софтуера.

Важно е да се гарантира, че данните, които съхранявате в променлива, се вписват в паметта, разпределена за тази променлива. Ако имате променлива, проектирана да съдържа три знака и се опитате да запишете двадесет знака в нея, това е препълване на буфера. Препълването на буфера може да повлияе на съседни адреси на паметта, което води до повреда на паметта.

Проблемите с управлението на паметта водят до нежелано поведение. Това е предимно под формата на сривове или грешки. В най-лошия случай обаче това може да доведе до уязвимости при изпълнение на кода. Ако нежеланото поведение е предвидимо, може да е възможно да се предостави конкретен вход, който води до изпълнение на злонамерен код от програмата. Като такова, доброто управление на паметта е важно при разработването на защитен код.

Виртуална памет

Един от скритите фактори на управлението на паметта е използването на виртуална памет. Виртуалната памет се управлява от операционната система, а не от приложението, което означава, че разработчиците не могат наистина да я повлияят. Вместо да му бъдат присвоени действителни адреси на физическа памет, на всеки процес се присвоява свое собствено уникално адресно пространство на паметта. След това операционната система преобразува виртуалния адрес във физически адрес, когато има нужда от достъп до паметта.

Едно от ключовите предимства на използването на виртуална памет е, че тя сегментира адресното пространство на паметта между процесите. Това не позволява на един процес да може да чете паметта на друг. Въпреки че по принцип не е проблем за легитимния софтуер, това помага за защита срещу злонамерен софтуер и фалшив софтуер, който заразява или краде данни от други програми. Той също така помага да се предотврати препълването на буфера да повлияе на различни процеси.

Като допълнителна полза, използването на адреси на виртуална памет позволява на операционната система да коригира физическото местоположение на данните, които се съхраняват според нуждите. Това обикновено се използва за прехвърляне на рядко използвана памет към страница или суап файл на устройство за съхранение, когато ресурсите на паметта са натоварени. Това води до удар в производителността, когато тези адреси на виртуалната памет са необходими, тъй като съхранението е по-бавно от истинската RAM, но също така предотвратява сривове на системата или приложението, което обикновено се предпочита.

Заключение

Управлението на паметта е процес на управление на ограничения ресурс на системната RAM памет. В софтуера това обикновено се извършва автоматично, но някои езици за програмиране позволяват или изискват ръчно управление на паметта. Лошото управление на паметта може да доведе до голям набор от проблеми с повредата на паметта и потенциално до уязвимости при изпълнение на кода. Операционната система също извършва известно управление на паметта под формата на виртуални адреси. Това му позволява да разделя паметта на всеки процес, полезна функция за сигурност. Той също така позволява на операционната система да коригира физическото местоположение на данните, без да засяга действителния процес.