Speicherverwaltung

Speicherverwaltung beschreibt die Gesamtheit der Verfahren, mit denen ein Computersystem den nutzbaren Hauptspeicher den laufenden Prozessen zuweist, freigibt, schützt und effizient nutzt. Zentral ist die Trennung von Speicherbereichen, damit Prozesse sich gegenseitig nicht stören, sowie die möglichst effiziente Ausnutzung des physischen Speichers.

Eine zentrale Rolle spielt der virtuelle Speicher. Dabei wird der von der Prozessadresse verwendete Adressraum durch eine Speicherverwaltungseinheit in physischen Speicher abgebildet. Typische Konzepte sind Paging und Segmentierung; Seiten- und Segmenttabellen, Translation Lookaside Buffers (TLB) und Bedarfslaufwerke (Demand Paging). Durch Swapping kann bei Bedarf auch Teile des Speichers auf Sekundärspeicher ausgelagert werden, um den physischen Speicher freizuhalten.

Techniken der Speichervergabe umfassen statische und dynamische Zuweisung, Allokationsstrategien wie First-Fit, Best-Fit oder Buddy-Systeme sowie Speichermanagement-Allocatoren (Slab, Arenas). In modernen Betriebssystemen wird Speicher oft in Kernel- und Benutzerspeicher aufgeteilt und durch Freigabe- und Kompaktierungsmechanismen wie Defragmentierung oder Speicherkompaktierung optimiert.

Für Programme mit automatischer Speicherverwaltung (Garbage Collection) verwalten Laufzeitumgebungen wie Java, .NET, Python Speicher automatisch und reinigen nicht mehr referenzierte Objekte. In Sprachen wie C oder C++ liegt die Verantwortung beim Entwickler oder bei speziellen Allocatoren.

Herausforderungen der Speicherverwaltung sind Fragmentierung, Verwaltungs-Overhead, Leistungsaufwand für Speicherzugriffe und Schutzmechanismen gegen Speicherverletzungen. Insgesamt ist effektive Speicherverwaltung eine grundlegende Voraussetzung für Systemleistung, Stabilität und Sicherheit von Computersystemen.