Speicherverwaltung im Betriebssystem: Lernen Sie Techniken und Anwendungen

Egal, auf welchem Gerät Sie arbeiten, das Betriebssystem (OS) ist das Herzstück. Es verwaltet den Speicher des Geräts, die Prozesse und alle installierten Softwareprogramme.

Ihr OS koordiniert alle beweglichen Teile innerhalb des Geräts, vom Zentralprozessor (CPU) bis hin zu Speicher und Speicherplatz. Während die meisten Betriebssysteme mit vorinstallierten Materialien geliefert werden, ist es wichtig, sie durch Speicherverwaltungsfunktionen zu optimieren, um Speicherblöcke auf dem Gerät zuzuweisen und freizugeben.

Das Ziel der Speicherverwaltung ist es, das Betriebssystem effizienter zu machen, indem Speicher vor und nach dem Ausführen von Prozessen zugewiesen und freigegeben wird. Während dieses Prozesses übersetzt die Speicherverwaltungseinheit (MMU) virtuelle Adressen in physische Adressen, was einen nahtlosen Zugriff auf zugewiesenen Speicher über verschiedene Prozesse hinweg ermöglicht.

Wenn eine Anwendung nicht über genügend Speicher verfügt, wechselt das Betriebssystem zum Austausch von Daten zwischen RAM und Festplattenspeicher. Dies kann die Geschwindigkeit des Computers erheblich verlangsamen, was die Speicherverwaltung für die Aufrechterhaltung eines gut funktionierenden Geräts unerlässlich macht.

Arten von OS-Speicher 

Speicherverwaltungstechniken sollten auf den Computerspeicher innerhalb des Primärspeichers angewendet werden, der in der Regel temporär ist und eine geringere Speicherkapazität aufweist.

Es gibt vier Haupttypen von Betriebssystem-Speicher, die alle Geräte verwenden:

• CPU-Register. Hochgeschwindigkeits-CPU-Register sind temporär und werden verwendet, um andere Teile des Betriebssystems zu instruieren. Die darin enthaltenen Dateien werden wiederholt gelesen und neu geschrieben, wenn verschiedene Prozesse ausgelöst werden.
• Cache-Speicher. Dieser Speicher ist eine Ebene zwischen der CPU und dem Hauptspeicher. Er ist viel schneller als der Primärspeicher und wird verwendet, um die ungleichen Verarbeitungsgeschwindigkeiten des Hauptspeichers und des CPU-Registers auszugleichen. Caches sind ebenfalls temporär, können jedoch Informationen länger speichern als das CPU-Register, um die internen Verarbeitungszeiten zu beschleunigen.
• Haupt- oder Primärspeicher. Der Primärspeicher ist ein externer Prozessor, der mit aktiven Programmen und Daten arbeitet. Aufgrund seiner größeren Kapazität sind die Verarbeitungszeiten langsamer als die des CPU-Registers und des Cache-Speichers.
• Sekundärspeicher. Dieser Speichertyp hat die größte Datenspeicherkapazität, ist jedoch in der Regel eine externe Quelle wie eine Festplatte, ein USB-Flash-Laufwerk oder eine Speicherkarte. Aufgrund ihrer Speichergröße haben diese die längsten Zugriffszeiten, sodass sich die Speicherverwaltung in der Regel auf die Optimierung der Nutzung des virtuellen Adressraums konzentriert.

Speicherverwaltungstechniken 

Um ein Betriebssystem effizienter zu machen, ist die Speicherverwaltung für die Übertragung von Daten zwischen physischem und virtuellem Speicherplatz unerlässlich. Probleme wie externe Fragmentierung, bei der verfügbarer Speicher in kleinere, unbrauchbare Segmente unterteilt wird, können die Leistung beeinträchtigen. Die Implementierung spezifischer Speicherverwaltungsstrategien hilft, solche Probleme zu vermeiden.

Segmentierung

Mit dieser Speicherverwaltungsmethode können Programme in Segmente unterteilt werden, um die optimalsten Teile des Betriebssystems zuzuweisen. Diese Segmente werden anhand ihrer Speicheradresse verfolgt, sodass das Betriebssystem nur die erforderlichen Teile jedes Programms laden kann, anstatt die gesamte Anwendung. Obwohl dies eine der besten platzsparenden Methoden ist, kann es die Laufzeitverarbeitungszeit erhöhen.

Paging 

Physischer Speicher kann auch in kleine, feste Blöcke namens Seiten unterteilt werden. Programme innerhalb dieser Blöcke haben ihre eigene Seitentabelle, um die Adresse des physischen und virtuellen Speichers, den sie belegen, zuzuordnen. Dies ist eine der effizientesten Methoden der Speicherverwaltung.

Diese Technik reduziert die Speicherfragmentierung und ermöglicht die effiziente Neuverteilung ungenutzten Speichers, indem sichergestellt wird, dass das Betriebssystem Speicher in kleineren Schritten zuweisen kann, anstatt größere Blöcke kontinuierlich auf dem System laufen zu lassen. Neue Seiten können bei Bedarf für Programme hinzugefügt werden, die zusätzlichen Speicher benötigen.

Virtueller Speicher 

Virtueller Speicher ist darauf ausgelegt, größere Programme auszuführen, als der physische RAM bewältigen kann. Während des Swappings kann der Anwendungsspeicher vorübergehend vom RAM auf die virtuelle Speicherfestplatte übertragen werden, um Platz freizugeben. Fortschrittliche Speicherverwaltungseinheiten (MMUs) sind entscheidend für die effektive Verwaltung des virtuellen Adressraums und sorgen für eine bessere Systemleistung.

Garbage Collection

Einige moderne Programmiersprachen, wie Java, verlassen sich auf Garbage Collection, um automatisch nicht mehr genutzten Speicher freizugeben. Ein Garbage Collector identifiziert und eliminiert ungenutzte Speicherblöcke, reduziert das Risiko von Speicherlecks und verbessert die Gesamteffizienz.

Vorteile der Speicherverwaltung im Betriebssystem 

Die Optimierung des Speichers innerhalb eines Betriebssystems hat zahlreiche Vorteile, sowohl aus der betrieblichen Perspektive eines Geräts als auch zur Verbesserung und Verbesserung der Benutzererfahrung. 

• Verbesserung der Geräteleistung. Techniken wie Paging und Garbage Collection ermöglichen eine bessere Nutzung des verfügbaren Speichers, was die Gesamtleistung und die Laufzeiten des Systems verbessert.
• Optimierung der Speicherzuweisung. Segmentierung ermöglicht eine bessere Zuweisung des zugewiesenen Speichers. Mit der Speicherverwaltung können diese Zuweisungen besser organisiert werden, um das Gerät so effizient wie möglich laufen zu lassen.
• Verhinderung von Speicherlecks. Speicherlecks können das Betriebssystem erheblich verlangsamen, da Anwendungen nicht genutzten Speicher nicht freigeben. Fortschrittliche Verwaltungssysteme wie Malloc und Deallokationstechniken helfen, dieses Problem zu mindern.
• Verbesserung der Systemsicherheit. Die Optimierung des Speichers durch Segmentierung und Paging reduziert den unbefugten Zugriff auf sensible Speicherorte und verbessert die allgemeine Systemsicherheit.

Reale Anwendungen der Speicherverwaltung

Einige der häufigsten Anwendungsfälle der Speicherverwaltung umfassen:

1. Virtualisierung und Cloud-Computing

Speicherverwaltung ist in virtualisierten Umgebungen unerlässlich, in denen mehrere virtuelle Maschinen (VMs) physische Ressourcen teilen. Technologien wie Kubernetes verlassen sich auf Speicherverwaltung, um Ressourcen effizient über Container hinweg zuzuweisen.

2. Datenintensive Anwendungen

Big Data Analytics und KI-Trainingsmodelle erfordern große Mengen an Speicher. Effiziente Speicherverwaltung optimiert die Laufzeitspeicherzuweisung, um eine reibungslose Anwendungsdurchführung zu gewährleisten.

3. Gaming und Hochleistungssysteme

Gaming-Anwendungen erfordern eine Echtzeitspeicherzuweisung für ein reibungsloses Gameplay. Speicherverwaltungstechniken minimieren die Latenz und optimieren die Leistung in ressourcenintensiven Szenarien.

Beste Betriebssysteme für die Speicherverwaltung 

Betriebssysteme sind das Gehirn eines Computersystems – ohne sie ist das Gerät praktisch nutzlos. Egal, ob Sie an einem PC, einem Laptop, einem Tablet oder einem Smartphone arbeiten, das Betriebssystem ist ein wesentlicher Bestandteil des Systems, der es Programmen und Anwendungen ermöglicht, gleichzeitig zu arbeiten.

Um in die Kategorie der Betriebssysteme aufgenommen zu werden, müssen Plattformen:

• Die Software und externe Hardware eines Geräts verwalten
• Die gleichzeitige Nutzung von Anwendungen ermöglichen
• Mit der zentralen Verarbeitungseinheit für Speicher- und Speicherzuweisung verbinden

* Nachfolgend sind die fünf führenden Betriebssystem-Softwarelösungen aus dem G2 Fall 2024 Grid Report aufgeführt. Einige Bewertungen können zur Klarheit bearbeitet worden sein.

1. Windows 11

Windows 11 ist ein von Microsoft entwickeltes Betriebssystem, das im Oktober 2021 für die Öffentlichkeit freigegeben wurde. Es basiert auf den Grundlagen von Windows 10 und bietet verbesserte Touch-Steuerungen, erweiterte Sicherheitsfunktionen, integrierte generative und assistive KI sowie Schutz von Chip zu Cloud.

Was Benutzer am meisten mögen: 

„Die grafische Benutzeroberfläche von Windows 11 ist sehr benutzerfreundlich und übersichtlich in Bezug auf die Navigation. Speicherverwaltung und Lastverteilung sind in dieser Version von Windows ordnungsgemäß verwaltet und effizient optimiert. Das Aufgabenmanagement dieses Betriebssystems ist so gestaltet, dass es das Abstürzen von Apps verhindert, und selbst wenn dies der Fall ist, speichert es automatisch bis zum letzten Kontrollpunkt, was bei der Verhinderung von Datenverlust in meiner Arbeit hilft.“

- Windows 11 Review, Shrajan Gupta G.

Was Benutzer nicht mögen:

„Als Entwickler habe ich ein ziemlich großes Problem mit diesem neuen Betriebssystem, da ich normalerweise 5 bis 6 Stunden benötige, um mein ML-Modell auf Windows 11 zu trainieren. Es stürzte so oft ab und benötigte mehr Zeit, um ein ML-Modell zu trainieren.“

- Windows 11 Review, Shivam M.

2. Apple iOS

Als primäres Betriebssystem für Apple-Geräte ist iOS ein fortschrittliches mobiles Betriebssystem mit einer benutzerfreundlichen Oberfläche und integrierter Datensicherheit für Apps und Programme. Die erste Version wurde 2007 veröffentlicht. Es arbeitet in einem geschlossenen Ökosystem, was bedeutet, dass andere Unternehmen ihre Programme nur über den offiziellen Apple App Store integrieren können.

Was Benutzer am meisten mögen: 

„iOS ist bekannt für sein sauberes und elegantes Layout, das es den Benutzern leicht macht, sich zurechtzufinden. Darüber hinaus ist iOS bekannt für seine reibungslose Leistung und vor allem für seine robusten Sicherheitsfunktionen. Apple legt großen Wert auf den Schutz der Privatsphäre der Benutzer, implementiert Verschlüsselungsmaßnahmen und bietet regelmäßige Sicherheitsupdates, um Benutzerdaten zu schützen.“

- Apple iOS Review, May Anntonette M.

Was Benutzer nicht mögen:

„Ein Aspekt, den einige Benutzer an Apples iOS als einschränkend empfinden, ist sein geschlossenes Ökosystem. Während die enge Integration zwischen Apple-Geräten vorteilhaft sein kann, bedeutet dies auch, dass Benutzer im Vergleich zu anderen Betriebssystemen weniger Flexibilität und Kontrolle haben.“

- Apple iOS Review, Shruti S.

3. Chrome OS

Chrome OS ist Googles Linux-basiertes Betriebssystem, das Chromebooks und andere Chrome-Geräte antreibt. Das Betriebssystem ist bekannt für seinen schnellen Start, automatische Updates und kann bis zu 12 Stunden mit einer einzigen Ladung halten. Es verfügt auch über integrierte Sicherheitsmaßnahmen, um Benutzer vor Ransomware-Angriffen und Viren zu schützen.

Was Benutzer am meisten mögen: 

„Ich mag, wie einfach es ist, Inhalte oder Bilder auf Chrome zu suchen, und ich mag, wie man leicht Audio aufnehmen kann, damit Chrome suchen kann. Google Chrome scheint ein viel besseres und relevanteres Betriebssystem als Firefox oder Edge zu sein, und ich benutze Google Maps von Chrome die ganze Zeit, um neue Gebiete zu erkunden und zu sehen, was in meiner Nähe geöffnet ist.“

- Chrome OS Review, Rebekah B.

Was Benutzer nicht mögen:

„Einige der Google-Webanwendungen laufen auf diesem Betriebssystem nicht. Die Echtzeit-Integration ist eine ziemlich zeitaufwändige Aufgabe im Google-Betriebssystem. Es hat einen sehr begrenzten Speicher von 15 GB, der für die Benutzer größer hätte sein können.“

- Chrome OS Review, Shantanu R.

4. Red Hat Enterprise Linux 

Als führendes kommerzielles Open-Source-Betriebssystem bietet Red Hat Enterprise Linux kostenlose Abonnements für kommerzielle Unternehmen oder Entwicklungszwecke. Es gibt auch akademische Versionen und die Hauptentwickler-Serveroption. Sie können Anwendungen von überall aus bereitstellen und ausführen und dabei eine stabile und flexible Grundlage genießen, die die Entwicklung von Hybrid-Clouds unterstützt.

Was Benutzer am meisten mögen: 

„Als langjähriger Benutzer von Red Hat Linux habe ich die von Red Hat bereitgestellten Tools und Verwaltungssysteme als entscheidend für die Aufrechterhaltung einer stabilen und konsistenten Bereitstellung empfunden. Red Hat leistet auch viel Open-Source-Entwicklungsarbeit, die "nach oben in die Kette" geht, um das gesamte Linux-Ökosystem zu profitieren.“

- Red Hat Enterprise Linux Review, Andres G.

Was Benutzer nicht mögen:

„Nicht einfach mit nur Dokumenten zu installieren. Der Umgang mit Paketen, Berechtigungen und Fehlern ist irgendwie schwierig zu bewältigen. Das Identifizieren bestimmter Paketabhängigkeiten und deren Auffinden könnte einfacher sein.“

- Red Hat Enterprise Linux Review, Asif A.

5. macOS Sierra

macOS Sierra war ein Betriebssystem, das 2016 für Apple-Desktop- und Laptop-Geräte veröffentlicht wurde. Obwohl es keine Sicherheitsupdates mehr bietet, arbeiten viele Apple-Geräte noch mit diesem System. Dieses Betriebssystem bietet optimierten Speicher und den Siri Intelligent Assistant direkt vom Dock, der Menüleiste oder der Tastenkombination aus.

Was Benutzer am meisten mögen: 

„macOS Sierra hat Siri integriert. Wir können das MacBook mit einer Apple Watch entsperren, was die Nutzung erleichtert. Multitasking ist dank der Bild-in-Bild-Funktion möglich.“

- macOS Sierra Review, Jagadale S.

Was Benutzer nicht mögen:

„Wie bei jedem großen Software-Update hatte macOS Sierra seine eigenen Kompatibilitätsprobleme mit bestimmten älteren Hardware- und Softwareanwendungen. Benutzer mit älteren Macs oder spezialisierter Software könnten auf Herausforderungen gestoßen sein.“

- macOS Sierra Review, Ej C.

Lassen Sie Ihren Speicher länger halten

Das gleichzeitige Ausführen mehrerer Programme und Anwendungen ist oft Teil Ihres Alltags, also beschleunigen Sie Ihre Prozesse und genießen Sie ein effizienteres Betriebssystem mit Speicherverwaltungstechniken. Sie werden bald ein gut funktionierendes Gerät haben, das einzigartig auf Ihre Bedürfnisse optimiert ist und Ihren Arbeitstag erheblich erleichtert.

Verbinden Sie Ihre Geräte mit den besten Hybrid-Cloud-Speicherlösungen und geben Sie physischen und virtuellen Speicher auf Ihren Computern, Telefonen und Tablets frei.