Mis on mäluhaldus?

Mäluhaldus on ressursside haldamise vorm, mis viitab konkreetselt arvutimälu ehk RAM-i haldamisele. Probleemi tuumaks on jaotussüsteemi mälu haldamine, kui seda vajatakse, ja selle vabastamine, kui seda enam ei vajata. Kaasaegsetes arvutites hõlmab mäluhaldus ka iga töötava protsessi virtuaalse adresseerimissüsteemi haldamist. Sõltuvalt programmeerimiskeelest võib mäluhaldus olla käsitsi, automaatne või mõlemad.

Mida teeb mäluhaldus?

Igal arvutil on piiratud hulk mälu, mida tuleb jagada kõigi töötavate protsesside vahel. Mäluhaldus tagab, et see piiratud ressurss vabaneb, kui seda enam ei vajata. Paljud vanemad keeled, näiteks C, keskenduvad käsitsi mäluhaldusele. See tähendab, et rakenduse arendaja peab mällu salvestatavate väärtuste jaoks spetsiaalselt ressursid eraldama. Kui need muutujad pole enam vajalikud, peab arendaja ka mälu uuesti vabastama.

Üks muudest käsitsi mäluhalduse teguritest on muutujate lähtestamine ja andmete kustutamine enne mälu vabastamist. Näiteks kui eraldate muutujale mälu, määratakse mäluaadress. Täiendavaid toiminguid ei võeta, seega võib see mäluaadress sisaldada väärtusi eelmisest kasutusest, mida pole kunagi kustutatud. Initsialiseerimata mälus olevate andmete alusel tegutsemine võib anda ettearvamatuid tulemusi, mis võivad hõlmata prügivastuseid ja programmi krahhi. Isegi kui proovite andmeid mällu sisestada, kui te ei täida kogu muutujale eraldatud ruumi, võib ruum, mida te ei kasutanud, sisaldada initsialiseerimata andmeid. Selle vältimiseks on oluline mälu käsitsi haldamisel muutujad lähtestada.

Näpunäide. Muutuja lähtestamine on protsess, mille käigus määratakse muutuja teadaolevale algväärtusele, tavaliselt selle kustutamine.

Moodsamad keeled, näiteks Python, kasutavad tavaliselt automaatset mäluhaldust. See käivitab taustal automaatselt kõik lähtestamise ja prügikoristustoimingud. See vähendab arenduse keerukust, kuid võib mõnevõrra mõjutada jõudlust ja annab arendajale veidi vähem otsest kontrolli.

Mäluhaldusega seotud probleemid

Mäluhalduse segamine võib põhjustada tõsiseid probleeme mitmel viisil. Näiteks initsialiseerimata mälu kasutamine võib viia määratlemata käitumiseni. Ja vastupidi, kui mälu ei tühjendata enne selle vabastamist, võivad andmed lekkida järgmisse rakendusse, mis proovib seda mäluosa kasutada.

Kui mälukohta enam vaja pole, tuleks see vabastada. See võimaldab arvutil selle vajaduse korral muule tarkvarale ümber määrata. Kui te enda järelt tarbetut mälu ei korista, nimetatakse seda mälulekkeks. Lühiajaliste programmide puhul pole see tingimata suur probleem, sest kui protsess lõppeb, vabastatakse mälu. Pikaajalise tarkvara puhul võib see aga kulutada üha rohkem süsteemimälu, kuni arvuti saab tühjaks, mille tulemuseks on tavaliselt tarkvara kokkujooksmine.

Oluline on tagada, et muutujas salvestatavad andmed mahuksid sellele muutujale eraldatud mällu. Kui teil on muutuja, mis mahutab kolm märki ja proovite sellele kirjutada kakskümmend märki, on see puhvri ületäitumine. Puhvri ületäitumine võib mõjutada külgnevaid mäluaadresse, mille tulemuseks on mälu rikkumine.

Mäluhaldusprobleemid põhjustavad soovimatut käitumist. See väljendub peamiselt kokkujooksmiste või vigade vormis. Halvima stsenaariumi korral võib see aga põhjustada koodi käitamise haavatavusi. Kui soovimatu käitumine on etteaimatav, võib olla võimalik sisestada konkreetne sisend, mille tulemusena käivitab programm pahatahtliku koodi. Sellisena on hea mäluhaldus turvalise koodi väljatöötamisel oluline.

Virtuaalne mälu

Üks mäluhalduse varjatud tegureid on virtuaalmälu kasutamine. Virtuaalset mälu haldab operatsioonisüsteem, mitte rakendus, mis tähendab, et arendajad ei saa seda tegelikult mõjutada. Selle asemel, et määrata tegelikud füüsilised mäluaadressid, määratakse igale protsessile oma kordumatu mäluaadressiruum. Seejärel teisendab operatsioonisüsteem virtuaalse aadressi füüsiliseks aadressiks alati, kui tal on vaja mälu juurde pääseda.

Virtuaalse mälu kasutamise üks peamisi eeliseid on see, et see segmenteerib mälu aadressiruumi protsesside vahel. See ei võimalda ühel protsessil lugeda teise protsessi mälu. Kuigi see ei ole üldiselt probleem legitiimse tarkvara jaoks, aitab see kaitsta pahavara ja petturliku tarkvara eest, mis nakatab või varastab andmeid teistest programmidest. Samuti aitab see vältida puhvri ületäitumist erinevate protsesside mõjutamisel.

Lisaeelisena võimaldab virtuaalmälu aadresside kasutamine operatsioonisüsteemil vastavalt vajadusele reguleerida salvestatavate andmete füüsilist asukohta. Seda kasutatakse tavaliselt harva kasutatava mälu teisaldamiseks salvestusseadme lehele või vahetusfailile, kui mäluressursid on pingelised. See toob kaasa löögi jõudlusele, kui neid virtuaalmälu aadresse on vaja, kuna salvestusruum on aeglasem kui tegelik RAM, kuid see hoiab ära ka süsteemi või rakenduse kokkujooksmised, mida üldiselt eelistatakse.

Järeldus

Mäluhaldus on süsteemi RAM-i piiratud ressursi haldamise protsess. Tarkvaras toimub see nüüd üldiselt automaatselt, kuid mõned programmeerimiskeeled võimaldavad või nõuavad mälu käsitsi haldamist. Mälu vale haldamine võib põhjustada paljusid mälukahjustusi ja potentsiaalselt koodi käitamise haavatavusi. Operatsioonisüsteem teostab ka teatud mäluhaldust virtuaalsete aadresside kujul. See võimaldab tal eraldada iga protsessi mälu, mis on kasulik turvafunktsioon. Samuti võimaldab see operatsioonisüsteemil kohandada andmete füüsilist asukohta tegelikku protsessi mõjutamata.