Mitä on muistinhallinta?

Muistinhallinta on resurssienhallinnan muoto, joka viittaa erityisesti tietokoneen muistin tai RAM-muistin hallintaan. Ongelman ydin on allokointijärjestelmän muistin hallinta, kun sitä tarvitaan, ja sen vapauttaminen, kun sitä ei enää tarvita. Nykyaikaisissa tietokoneissa muistinhallintaan kuuluu myös virtuaalisen osoitejärjestelmän hallinta jokaiselle käynnissä olevalle prosessille. Ohjelmointikielestä riippuen muistinhallinta voi olla manuaalista, automaattista tai molempia.

Mitä muistinhallinta tekee?

Jokaisella tietokoneella on rajallinen määrä muistia, joka on jaettava kaikkien käynnissä olevien prosessien kesken. Muistinhallinta varmistaa, että tämä rajoitettu resurssi vapautuu, kun sitä ei enää tarvita. Monet vanhemmat kielet, kuten C, keskittyvät manuaaliseen muistinhallintaan. Tämä tarkoittaa, että sovelluksen kehittäjän on erityisesti varattava resurssit arvoille, jotka täytyy tallentaa muistiin. Kun näitä muuttujia ei enää tarvita, kehittäjän on myös vapautettava muisti uudelleen.

Yksi muista manuaalisen muistinhallinnan tekijöistä on muuttujien alustaminen ja tietojen tyhjentäminen ennen muistin vapauttamista. Jos esimerkiksi varaat muistia muuttujalle, muistin osoite määritetään. Mitään muita toimia ei tehdä, joten tämä muistiosoite saattaa sisältää arvoja sen aikaisemmasta käytöstä, joita ei koskaan tyhjennetty. Alustamattoman muistin tietojen käsittelyllä voi olla arvaamattomia tuloksia, joihin voi liittyä roskavastauksia ja ohjelman kaatumisia. Vaikka yrittäisit laittaa tietoja muistiin, jos et täytä koko muuttujalle varattua tilaa, käyttämättä jäänyt tila voi sisältää alustamattomia tietoja. Tämän välttämiseksi on tärkeää alustaa muuttujat muistia manuaalisesti hallittaessa.

Vihje: Muuttujan alustaminen on prosessi, jossa muuttuja asetetaan tunnetulle aloitusarvolle, tyypillisesti tyhjennetään se.

Nykyaikaisemmat kielet, kuten Python, käyttävät yleensä automaattista muistinhallintaa. Tämä suorittaa automaattisesti kaikki alustus- ja roskienkeräystoimenpiteet taustalla. Tämä vähentää kehityksen monimutkaisuutta, mutta se voi vaikuttaa suorituskykyyn jonkin verran ja antaa kehittäjälle hieman vähemmän suoraa hallintaa.

Ongelmia muistinhallinnassa

On olemassa muutamia tapoja, joilla muistinhallinnan sotkeminen voi aiheuttaa mahdollisesti vakavia ongelmia. Esimerkiksi alustamattoman muistin käyttö voi johtaa määrittelemättömään käyttäytymiseen. Toisaalta muistin tyhjentämättä jättäminen ennen sen vapauttamista voi mahdollisesti vuotaa tietoja seuraavaan sovellukseen, joka yrittää käyttää kyseistä muistin osaa.

Kun muistipaikkaa ei enää tarvita, se on vapautettava. Tämän avulla tietokone voi määrittää sen uudelleen toiselle ohjelmistolle tarpeen mukaan. Jos et siivoa turhaa muistia perässäsi, tätä kutsutaan muistivuotoksi. Tämä ei välttämättä ole suuri ongelma lyhytaikaisissa ohjelmissa, koska prosessin päätyttyä muisti vapautuu. Mutta pitkäkestoisissa ohjelmistoissa tämä voi kuluttaa yhä enemmän järjestelmämuistia, kunnes tietokone loppuu, mikä yleensä johtaa ohjelmiston kaatumiseen.

On tärkeää varmistaa, että muuttujaan tallennetut tiedot mahtuvat tälle muuttujalle varattuun muistiin. Jos sinulla on muuttuja, joka on suunniteltu sisältämään kolme merkkiä ja yrität kirjoittaa siihen kaksikymmentä merkkiä, tämä on puskurin ylivuoto. Puskurin ylivuodot voivat vaikuttaa vierekkäisiin muistiosoitteisiin, mikä johtaa muistin vioittumiseen.

Muistinhallintaongelmat johtavat tahattomaan toimintaan. Tämä tapahtuu ensisijaisesti kaatumisten tai virheiden muodossa. Pahimmassa tapauksessa se voi kuitenkin johtaa koodin suorittamisen haavoittuvuuksiin. Jos tahaton toiminta on ennustettavissa, voi olla mahdollista antaa tietty syöte, joka johtaa siihen, että ohjelma suorittaa haitallista koodia. Sellaisenaan hyvä muistinhallinta on tärkeää suojatun koodin kehittämisessä.

Virtuaalinen muisti

Yksi muistinhallinnan piilotekijöistä on virtuaalimuistin käyttö. Virtuaalimuistia hallitsee käyttöjärjestelmä sovelluksen sijaan, joten kehittäjät eivät voi vaikuttaa siihen. Sen sijaan, että sille osoitettaisiin todellisia fyysisiä muistiosoitteita, jokaiselle prosessille osoitetaan oma yksilöllinen muistiosoiteavaruutensa. Käyttöjärjestelmä muuntaa sitten virtuaalisen osoitteen fyysiseksi osoitteeksi aina, kun sen tarvitsee käyttää muistia.

Yksi virtuaalimuistin käytön tärkeimmistä eduista on, että se segmentoi muistin osoiteavaruuden prosessien välillä. Tämä estää yhtä prosessia pystymästä lukemaan toisen prosessia. Vaikka tämä ei yleensä ole ongelma laillisille ohjelmistoille, se auttaa suojaamaan haittaohjelmilta ja vääriltä ohjelmistoilta, jotka saastuttavat tai varastavat tietoja muista ohjelmista. Se auttaa myös estämään puskurin ylivuotoja vaikuttamasta eri prosesseihin.

Lisäetuna virtuaalimuistiosoitteiden käyttö antaa käyttöjärjestelmälle mahdollisuuden säätää tallennettavien tietojen fyysistä sijaintia tarpeen mukaan. Tätä käytetään yleensä siirtämään harvoin käytettyä muistia sivu- tai swap-tiedostoon tallennusasemalla, kun muistiresurssit ovat rasittuneita. Tämä heikentää suorituskykyä, kun näitä virtuaalimuistiosoitteita tarvitaan, koska tallennus on hitaampaa kuin todellinen RAM, mutta se estää myös järjestelmän tai sovelluksen kaatumiset, mikä on yleensä suositeltavaa.

Johtopäätös

Muistinhallinta on prosessi, jolla hallitaan järjestelmän RAM-muistin rajoitettua resurssia. Ohjelmistoissa tämä tapahtuu nykyään yleensä automaattisesti, mutta jotkin ohjelmointikielet sallivat tai edellyttävät muistin manuaalisen hallinnan. Muistin huono hallinta voi johtaa lukuisiin muistin vioittumisongelmiin ja mahdollisesti koodin suorittamisen haavoittuvuuksiin. Käyttöjärjestelmä suorittaa myös jonkin verran muistinhallintaa virtuaaliosoitteiden muodossa. Tämän ansiosta se voi erottaa kunkin prosessin muistin, mikä on hyödyllinen suojausominaisuus. Sen avulla käyttöjärjestelmä voi myös säätää tietojen fyysistä sijaintia vaikuttamatta varsinaiseen prosessiin.