Vad är minneshantering?

Minneshantering är en form av resurshantering, som specifikt syftar på hantering av datorminne, eller RAM. Kärnan i problemet är att hantera allokeringssystemets minne när det behövs och att det släpps när det inte längre behövs. I moderna datorer innebär minneshantering också att hantera det virtuella adresseringssystemet för varje pågående process. Beroende på programmeringsspråk kan minneshantering vara manuell, automatisk eller båda.

Vad gör minneshantering?

Varje dator har ett begränsat utbud av minne som måste delas över alla pågående processer. Minneshantering säkerställer att denna begränsade resurs frigörs när den inte längre behövs. Många äldre språk, som C fokuserar på manuell minneshantering. Detta innebär att utvecklaren av applikationen måste specifikt allokera resurser för värden som behöver lagras i minnet. När dessa variabler inte längre behövs måste utvecklaren också släppa minnet igen.

En av de andra faktorerna för manuell minneshantering är att behöva initiera variabler och rensa data innan du släpper minnet. Om du till exempel allokerar minne till en variabel tilldelas en minnesadress. Inga ytterligare åtgärder vidtas, så denna minnesadress kan innehålla värden från dess tidigare användning som aldrig raderades. Att agera på data i oinitierat minne kan få oförutsägbara resultat, vilket kan innebära skräpsvar och programkrascher. Även om du försöker lägga in data i minnet, om du inte fyller hela utrymmet som tilldelats variabeln, kan utrymmet du inte använde innehålla oinitierad data. För att undvika detta är det viktigt att initiera variabler när du hanterar minne manuellt.

Tips: Att initiera en variabel är processen att ställa in en variabel till ett känt startvärde, vanligtvis att rensa det.

Modernare språk, som Python, brukar använda automatisk minneshantering. Detta kör automatiskt alla initierings- och sophämtningsprocedurer i bakgrunden. Detta minskar komplexiteten i utvecklingen, men det kan påverka prestandan något och ger lite mindre direkt kontroll till utvecklaren.

Problem med minneshantering

Det finns några sätt på vilka att förstöra minneshantering kan orsaka potentiellt allvarliga problem. Att använda oinitierat minne kan till exempel leda till odefinierat beteende. Omvänt, att inte rensa minnet innan du släpper det kan potentiellt läcka data till nästa applikation som försöker använda den delen av minnet.

När en minnesplats inte längre behövs bör den släppas. Detta gör att datorn kan tilldela den till annan programvara efter behov. Om du inte rensar bort onödigt minne efter dig, kallas detta för en minnesläcka. Detta är inte nödvändigtvis ett stort problem i korta program, eftersom när processen väl är slut kommer minnet att släppas. Men för långvarig programvara kan detta sluta med att det förbrukar mer och mer systemminne, tills datorn tar slut, vilket vanligtvis resulterar i att programvaran kraschar.

Det är viktigt att se till att data du lagrar i en variabel passar i minnet som tilldelats den variabeln. Om du har en variabel utformad för att hålla tre tecken och försöker skriva tjugo tecken till den, är detta ett buffertspill. Buffertspill kan påverka angränsande minnesadresser vilket resulterar i minneskorruption.

Minneshanteringsproblem leder till oavsiktligt beteende. Detta sker främst i form av krascher eller fel. I värsta fall kan det dock resultera i kodexekveringssårbarheter. Om det oavsiktliga beteendet är förutsägbart kan det vara möjligt att tillhandahålla en specifik indata som resulterar i att programmet exekverar skadlig kod. Som sådan är bra minneshantering viktig för att utveckla säker kod.

Virtuellt minne

En av de dolda faktorerna för minneshantering är användningen av virtuellt minne. Virtuella minnet hanteras av operativsystemet snarare än applikationen vilket innebär att utvecklare inte riktigt kan påverka det. Istället för att tilldelas faktiska fysiska minnesadresser tilldelas varje process sitt eget unika minnesadressutrymme. Operativsystemet konverterar sedan den virtuella adressen till en fysisk adress närhelst det behöver komma åt minnet.

En av de viktigaste fördelarna med att använda virtuellt minne är att det segmenterar minnesadressutrymmet mellan processer. Detta förhindrar en process från att kunna läsa minnet av en annan. Även om det i allmänhet inte är ett problem för legitim programvara, hjälper detta till att skydda mot skadlig programvara och falsk programvara som infekterar eller stjäl data från andra program. Det hjälper också till att förhindra buffertspill från att påverka olika processer.

Som en extra fördel, genom att använda virtuella minnesadresser, kan operativsystemet justera den fysiska platsen för data som lagras efter behov. Detta används vanligtvis för att överföra sällan använt minne till en sida eller växlingsfil på en lagringsenhet när minnesresurserna är ansträngda. Detta drabbar prestandan när dessa virtuella minnesadresser behövs, eftersom lagring är långsammare än äkta RAM, men det förhindrar också system- eller programkrascher, vilket vanligtvis är att föredra.

Slutsats

Minneshantering är processen att hantera den begränsade resursen av system-RAM. I mjukvara utförs detta nu i allmänhet automatiskt, men vissa programmeringsspråk tillåter eller kräver manuell hantering av minne. Felhantering av minne kan leda till ett stort antal problem med minneskorruption och potentiellt till sårbarheter för kodexekvering. Operativsystemet utför även viss minneshantering i form av virtuella adresser. Detta gör att den kan separera minnet för varje process, en användbar säkerhetsfunktion. Det tillåter också operativsystemet att justera den fysiska platsen för data utan att påverka den faktiska processen.