Speicherverwaltung
Aus Lowlevel
Die Speicherverwaltung (= Memory Management) ist ein wichtiger Teil des Betriebssystems. Um genau zu sein ist es ein Grundbestandteil eines Betriebssystems und meistens sogar vollständig im Kernel enthalten.
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Einleitung
Generell ist die Speicherverwaltung dafür zuständig, nachfragenden Prozessen freien Speicher zuzuteilen bzw. freizugebenden Speicher wieder zurückzunehmen. Dazu muss natürlich gespeichert werden, welche Speicherbereiche belegt bzw. frei sind. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Speicherverwaltung normalerweise auf drei Ebenen aufgeteilt wird:
- Die physische Speicherverwaltung verwaltet Speicherblöcke (physische Seiten) im tatsächlich verfügbaren RAM
- Die virtuelle Speicherverwaltung baut auf der physischen Speicherverwaltung auf. Sie verwaltet Seiten im virtuellen Adressraum und deren Zuordnung zu physischen Seiten.
- malloc/free verwalten den Heap. Im Gegensatz zu den unterliegenden Schichten, die nur in Blöcken gleicher Größe arbeiten, sind malloc/free dafür zuständig, Speicher für unterschiedlich große Objekte bereitzustellen.
Physische Speicherverwaltung
Hauptartikel: Physische Speicherverwaltung
Die Physische Speicherverwaltung bildet die unterste Ebene und ermöglicht das Allozieren und Freigeben von physischen Speicherbereichen. Meist sind diese Speicherbereiche gleich groß und richten sich nach der Seitengröße der jeweiligen Architektur. Die Seitengröße beträgt normalerweise bei der x86- und x86-64-Architektur 4 kB. Es sind dort auch 4 (x86) bzw. 2 MB (x86-64) möglich. Intern speichert die physische Speicherverwaltung, welche Speicherbereiche im physischen Speicher frei sind.
virtuelle Speicherverwaltung
Hauptartikel: Paging
Die virtuelle Speicherverwaltung befindet sich eine Schicht über der physischen Speicherverwaltung und ist für die Organisation der Speicherbereiche im virtuellen Adressraum eines Prozesses zuständig. Unter x86 und x86-64 beispielsweise wird ein virtueller Adressraum über den Paging-Mechanismus (siehe dort für eine genauere Erklärung) realisiert. Dieser virtuelle Adressraum hat erstmal nichts mit dem physischen Adressraum gemeinsam. Erst die virtuelle Speicherverwaltung stellt durch Ein- und Ausblenden von physischen Speicherseiten in den virtuellen Adressraum diese Verbindung her und blendet die Segmente des Prozessimage (Code, Daten, nicht initialisierte Daten, ...), den Heap, den Stack, benötigte shared-libraries, shared-memory, auch den Kernel, etc. in den virtuellen Adressraum ein oder aus. Die dafür benötigten physischen Speicherseiten werden der physischen Speicherverwaltung entnommen.
Die virtuelle Speicherverwaltung übernimmt in einem Multiprozessorsystem auch die Aufgabe, die virtuellen Adressräume über mehrere Prozessoren hinweg konsistent zu halten (siehe auch SMP).
Implementierung von malloc()/free()
Im Gegensatz zur oben beschriebenen physischen und virtuellen Speicherverwaltung, die fast immer Teil des Kernels sind, sind malloc() und free() Funktionen, die zur Standardbibliothek gehören. Sie laufen üblicherweise im Userspace und benutzen Systemaufrufe nur, um virtuelle Seiten anzufordern, wenn mehr Speicher benötigt wird.
Gelegentlich werden die beiden Funktionen auch als Bestandteil der virtuellen Speicherverwaltung bezeichnet, da sie ebenfalls mit virtuellen Adressen arbeiten. Sie sind aber nicht mit Paging zu verwechseln.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten malloc() bzw. free() zu implementieren. Eine Möglichkeit ist es, vor den Speicherblöcken Header anzulegen, die die Länge, Flags (wie z.B ob der Block frei ist) und gegenfalls einen Pointer auf den nächsten freien Block beinhalten. Zum Anfang sind keine freien Blöcke vorhanden. Es wird vom Kernel eine Page angefordert. Nun wird ein Header an den Anfang der Page gesetzt. Wenn nun malloc() aufgerufen wird, wird der Block aufgeteilt und ein Teilblock als benutzt markiert. Bei einem Aufruf von free() wird der Block als frei markiert und in die Liste der freien Blöcke eingefügt. Wenn benachbarte Blöcke auch frei sind, werden diese zusammengefügt. Wenn man nun eine ganze Page hat, die als frei markiert ist, kann sie vom Kernel freigegeben werden oder aufgehoben werden, bis sie wieder gebraucht wird.
Man kann auch eine der freien malloc()/free() Implementierungen portieren:
Weblinks
- Memory Management 1 und Memory Management 2 by Tim Robinson
