Τι είναι η Διαχείριση Μνήμης;

Η διαχείριση μνήμης είναι μια μορφή διαχείρισης πόρων, που αναφέρεται συγκεκριμένα στη διαχείριση της μνήμης του υπολογιστή ή της μνήμης RAM. Ο πυρήνας του ζητήματος είναι η διαχείριση της μνήμης του συστήματος εκχώρησης όταν χρειάζεται και η απελευθέρωσή της όταν δεν απαιτείται πλέον. Στους σύγχρονους υπολογιστές, η διαχείριση μνήμης περιλαμβάνει επίσης τη διαχείριση του συστήματος εικονικών διευθύνσεων για κάθε εκτελούμενη διεργασία. Ανάλογα με τη γλώσσα προγραμματισμού, η διαχείριση μνήμης μπορεί να είναι χειροκίνητη, αυτόματη ή και τα δύο.

Τι κάνει η διαχείριση μνήμης;

Κάθε υπολογιστής έχει περιορισμένο απόθεμα μνήμης που πρέπει να μοιράζεται σε όλες τις διεργασίες που εκτελούνται. Η διαχείριση μνήμης διασφαλίζει ότι αυτός ο περιορισμένος πόρος ελευθερώνεται όταν δεν χρειάζεται πλέον. Πολλές παλαιότερες γλώσσες, όπως η C επικεντρώνονται στη χειροκίνητη διαχείριση μνήμης. Αυτό σημαίνει ότι ο προγραμματιστής της εφαρμογής πρέπει να εκχωρήσει ειδικά πόρους για τιμές που πρέπει να αποθηκευτούν στη μνήμη. Μόλις αυτές οι μεταβλητές δεν απαιτούνται πλέον, ο προγραμματιστής πρέπει επίσης να απελευθερώσει ξανά τη μνήμη.

Ένας από τους άλλους παράγοντες της χειροκίνητης διαχείρισης μνήμης είναι η ανάγκη προετοιμασίας μεταβλητών και εκκαθάρισης δεδομένων πριν από την απελευθέρωση της μνήμης. Για παράδειγμα, εάν εκχωρήσετε μνήμη σε μια μεταβλητή, εκχωρείται μια διεύθυνση μνήμης. Δεν πραγματοποιούνται περαιτέρω ενέργειες, επομένως αυτή η διεύθυνση μνήμης μπορεί να περιέχει τιμές από την προηγούμενη χρήση που δεν διαγράφηκαν ποτέ. Η δράση στα δεδομένα σε μη αρχικοποιημένη μνήμη μπορεί να έχει απρόβλεπτα αποτελέσματα, τα οποία μπορεί να περιλαμβάνουν αποκρίσεις σκουπιδιών και σφάλματα προγράμματος. Ακόμα κι αν προσπαθήσετε να βάλετε δεδομένα στη μνήμη, αν δεν γεμίσετε ολόκληρο τον χώρο που έχει εκχωρηθεί στη μεταβλητή, ο χώρος που δεν χρησιμοποιήσατε μπορεί να περιέχει μη αρχικοποιημένα δεδομένα. Για να αποφευχθεί αυτό, είναι σημαντικό να αρχικοποιήσετε τις μεταβλητές κατά τη μη αυτόματη διαχείριση της μνήμης.

Συμβουλή: Η αρχικοποίηση μιας μεταβλητής είναι η διαδικασία ορισμού μιας μεταβλητής σε μια γνωστή τιμή εκκίνησης, συνήθως διαγραφή της.

Πιο σύγχρονες γλώσσες, όπως η Python, τείνουν να χρησιμοποιούν αυτόματη διαχείριση μνήμης. Αυτό εκτελεί αυτόματα όλες τις διαδικασίες προετοιμασίας και συλλογής σκουπιδιών στο παρασκήνιο. Αυτό μειώνει την πολυπλοκότητα της ανάπτυξης, ωστόσο, μπορεί να επηρεάσει κάπως την απόδοση και να δώσει ελαφρώς λιγότερο άμεσο έλεγχο στον προγραμματιστή.

Ζητήματα διαχείρισης μνήμης

Υπάρχουν μερικοί τρόποι με τους οποίους η παραβίαση της διαχείρισης της μνήμης μπορεί να προκαλέσει δυνητικά σοβαρά προβλήματα. Η χρήση μη αρχικοποιημένης μνήμης, για παράδειγμα, μπορεί να οδηγήσει σε απροσδιόριστη συμπεριφορά. Αντίθετα, η μη εκκαθάριση της μνήμης πριν την απελευθέρωσή της μπορεί να διαρρεύσει δεδομένα στην επόμενη εφαρμογή που θα προσπαθήσει να χρησιμοποιήσει αυτό το τμήμα της μνήμης.

Μόλις δεν χρειάζεται πλέον μια θέση μνήμης, θα πρέπει να απελευθερωθεί. Αυτό επιτρέπει στον υπολογιστή να το εκχωρήσει εκ νέου σε άλλο λογισμικό όπως χρειάζεται. Εάν δεν καθαρίσετε την περιττή μνήμη μετά τον εαυτό σας, αυτό αναφέρεται ως διαρροή μνήμης. Αυτό δεν είναι απαραιτήτως τεράστιο ζήτημα σε προγράμματα μικρής διάρκειας, καθώς μόλις τελειώσει η διαδικασία, η μνήμη θα απελευθερωθεί. Αλλά για το μακροχρόνιο λογισμικό, αυτό μπορεί να καταλήξει να καταναλώνει ολοένα και περισσότερη μνήμη συστήματος, έως ότου εξαντληθεί ο υπολογιστής, με αποτέλεσμα συνήθως το λογισμικό να καταρρεύσει.

Είναι σημαντικό να διασφαλίσετε ότι τα δεδομένα που αποθηκεύετε σε μια μεταβλητή χωρούν στη μνήμη που έχει εκχωρηθεί σε αυτήν τη μεταβλητή. Εάν έχετε μια μεταβλητή σχεδιασμένη για να χωράει τρεις χαρακτήρες και προσπαθείτε να γράψετε είκοσι χαρακτήρες σε αυτήν, αυτή είναι μια υπερχείλιση buffer. Οι υπερχειλίσεις buffer μπορούν να επηρεάσουν τις γειτονικές διευθύνσεις μνήμης με αποτέλεσμα την καταστροφή της μνήμης.

Τα προβλήματα διαχείρισης της μνήμης οδηγούν σε ακούσια συμπεριφορά. Αυτό έχει κυρίως τη μορφή σφαλμάτων ή σφαλμάτων. Ωστόσο, στα χειρότερα σενάρια, μπορεί να οδηγήσει σε τρωτά σημεία εκτέλεσης κώδικα. Εάν η ακούσια συμπεριφορά είναι προβλέψιμη, μπορεί να είναι δυνατή η παροχή μιας συγκεκριμένης εισόδου που έχει ως αποτέλεσμα το πρόγραμμα να εκτελεί κακόβουλο κώδικα. Ως εκ τούτου, η καλή διαχείριση μνήμης είναι σημαντική για την ανάπτυξη ασφαλούς κώδικα.

Εικονική μνήμη

Ένας από τους κρυφούς παράγοντες διαχείρισης της μνήμης είναι η χρήση εικονικής μνήμης. Η διαχείριση της εικονικής μνήμης γίνεται από το λειτουργικό σύστημα και όχι από την εφαρμογή, πράγμα που σημαίνει ότι οι προγραμματιστές δεν μπορούν πραγματικά να την επηρεάσουν. Αντί να εκχωρούνται πραγματικές διευθύνσεις φυσικής μνήμης, σε κάθε διεργασία εκχωρείται ο δικός της μοναδικός χώρος διευθύνσεων μνήμης. Στη συνέχεια, το λειτουργικό σύστημα μετατρέπει την εικονική διεύθυνση σε φυσική διεύθυνση όποτε χρειάζεται πρόσβαση στη μνήμη.

Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα της χρήσης εικονικής μνήμης είναι ότι τμηματοποιεί το χώρο διευθύνσεων της μνήμης μεταξύ των διεργασιών. Αυτό εμποδίζει μια διαδικασία να μπορεί να διαβάσει τη μνήμη μιας άλλης. Αν και γενικά δεν αποτελεί πρόβλημα για το νόμιμο λογισμικό, αυτό βοηθά στην προστασία από κακόβουλο λογισμικό και αδίστακτο λογισμικό που μολύνει ή κλέβει δεδομένα από άλλα προγράμματα. Βοηθά επίσης στην αποτροπή υπερχείλισης buffer από το να επηρεάσουν διαφορετικές διαδικασίες.

Ως επιπλέον πλεονέκτημα, η χρήση διευθύνσεων εικονικής μνήμης επιτρέπει στο λειτουργικό σύστημα να προσαρμόζει τη φυσική θέση των δεδομένων που αποθηκεύονται όπως χρειάζεται. Αυτό γενικά χρησιμοποιείται για τη μεταφορά σπάνια χρησιμοποιούμενης μνήμης σε σελίδα ή εναλλαγή αρχείου σε μονάδα αποθήκευσης όταν οι πόροι μνήμης είναι καταπονημένοι. Αυτό επιφέρει πλήγμα στην απόδοση όταν απαιτούνται αυτές οι διευθύνσεις εικονικής μνήμης, καθώς η αποθήκευση είναι πιο αργή από την πραγματική RAM, αλλά επίσης αποτρέπει σφάλματα συστήματος ή εφαρμογής, κάτι που γενικά προτιμάται.

συμπέρασμα

Η διαχείριση μνήμης είναι η διαδικασία διαχείρισης του περιορισμένου πόρου της μνήμης RAM του συστήματος. Στο λογισμικό, αυτό γίνεται τώρα γενικά αυτόματα, ωστόσο, ορισμένες γλώσσες προγραμματισμού επιτρέπουν ή απαιτούν τη μη αυτόματη διαχείριση της μνήμης. Η κακή διαχείριση της μνήμης μπορεί να οδηγήσει σε ένα μεγάλο εύρος ζητημάτων καταστροφής της μνήμης και ενδεχομένως σε ευπάθειες εκτέλεσης κώδικα. Το λειτουργικό σύστημα εκτελεί επίσης κάποια διαχείριση μνήμης με τη μορφή εικονικών διευθύνσεων. Αυτό του επιτρέπει να διαχωρίζει τη μνήμη κάθε διεργασίας, μια χρήσιμη δυνατότητα ασφαλείας. Επιτρέπει επίσης στο λειτουργικό σύστημα να προσαρμόζει τη φυσική θέση των δεδομένων χωρίς να επηρεάζει την πραγματική διαδικασία.