Speicherseiten

Speicherseiten, auch als memory pages bezeichnet, sind feste, vorher festgelegte Blöcke des virtuellen Speichers, die von Betriebssystem und Hardware genutzt werden, um den virtuellen Adressraum eines Prozesses auf den physischen Speicher abzubilden. Sie ermöglichen eine Abstraktion des Speicherns, sodass jeder Prozess so aussieht, als hätte er eigenen, zusammenhängenden Speicher, obwohl der physische Speicher verwendet werden kann, um mehrere Prozesse gleichzeitig zu unterstützen.

Die Adresse eines CPU-Laufwerks wird in eine Seitenzahl und einen Versatz unterteilt. Die Zuordnung von virtuellen Speicherseiten zu physischen Speicherrahmen wird durch eine Seitentabelle verwaltet, deren Einträge die Zuordnung, Rechte (lesen, schreiben, ausführen) und Statusinformationen festhalten. Häufig wird zusätzlich ein Translation Lookaside Buffer (TLB) verwendet, um Übersetzungen zwischen virtueller Seite und physischer Adresse zeitnah zwischenzuspeichern und damit die Geschwindigkeit der Speicherzugriffe zu erhöhen.

Wird eine Speicherseite, die ein Prozess benötigt, nicht im Hauptspeicher gehalten, entsteht ein Page Fault. Das Betriebssystem holt die entsprechende Seite aus sekündärem Speicher (z. B. Festplatte) in einen freien physischen Speicherrahmen, aktualisiert die Seitentabelle und setzt die Ausführung fort. Falls kein freier Rahmen vorhanden ist, wählt der Speicher-Manager eine Opferseite aus (z. B. nach FIFO, LRU, OPT oder CLOCK-Algorithmus) und schreibt gegebenenfalls notwendige Seiten zurück. Dieses Vorgehen wird als Demand Paging bezeichnet, es kann auch vorkommen, dass das System Seiten vorher auslagert (Pre-Paging).

Speicherseiten haben eine feste Größe (typisch 4 Kilobyte in vielen Systemen). Dadurch entsteht keine externe Fragmentierung, wohl aber interne Fragmentierung in der letzten Seite einer Speichernutzung. Sie ermöglichen auch Seiten-Sharing (z. B. gemeinsam genutzte Bibliotheken) und Speicher-Schreibschutz, sowie Copy-on-Write-Strategien für effiziente Prozess-Kopien. Moderne Betriebssysteme implementieren Paging innerhalb einer komplexen Speicherverwaltung, die Isolation, Effizienz und Sicherheit zwischen Prozessen sicherstellt.