Was ist Speicherauslagerung? Wie Speicherauslagerung funktioniert

Speicherauslagerung ist eine verbreitete Technologie, die dazu beiträgt, die Leistung des Betriebssystems zu verbessern. Mit diesem Verfahren kann das System je nach Bedarf effizient zwischen physischem und virtuellem Speicher wechseln. 

Da der physische Speicher (RAM) hauptsächlich für laufende Prozesse verwendet wird, reicht er nicht immer aus, um die gesamte Last dauerhaft zu bewältigen. Mitunter ist er erschöpft und benötigt zusätzlichen Speicher, damit Anwendungen und Prozesse ausgeführt werden können. 

Speicherauslagerung kann hier Abhilfe schaffen, denn dieses Verfahren erzeugt durch die Kombination aus physischem Speicher und Festplattenspeicher einen größeren virtuellen Adressraum. Nicht verwendete Speicherinhalte werden auf den Festplattenspeicher ausgelagert und können später wiederhergestellt werden. Dadurch wird physischer Speicher frei und kann für andere Vorgänge genutzt werden. 

Sehen wir uns nun die Speicherauslagerung, ihre Vorteile für die Leistung, ihre Vor- und Nachteile sowie weitere wichtige Aspekte im Detail an.

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Wie Speicherauslagerung funktioniert und die Leistung verbessert

Speicherauslagerung bezeichnet den Austausch von Speicher. Das primäre Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Nutzung des Hauptspeichers zu verbessern.

In einem Betriebssystem werden Prozesse auf Grundlage einer prioritätsbasierten, präemptiven Ablaufplanung ausgeführt. Wenn eine Aufgabe mit höherer Priorität ausgeführt werden muss, muss im Hauptspeicher Platz für ihre Ausführung verfügbar sein. Daher verwendet das System den virtuellen Speicher und Speicherplatz als zusätzliche Ressourcen. Dies ermöglicht eine schnellere Ausführung des Prozesses und eine effiziente Datenanalyse.

Der Speicherplatz auf der Festplatte dient als funktionales Äquivalent zum Ausführungsbereich des Speichers. Dieser Speicherbereich wird als „Swap-Speicher“ bezeichnet. Prozesse, die aus dem physischen RAM ausgelagert wurden, werden in diesem Swap-Speicher ausgeführt. 

Standardmäßig verwaltet das Betriebssystem oder der Hypervisor einer virtuellen Maschine den Speicherauslagerungsprozess. Bei Bedarf kann der Benutzer diese Funktion jedoch deaktivieren. 

Wenn der physische RAM vollständig belegt ist – und zusätzliche Prozesse und Anwendungen Speicherplatz benötigen –, wird die Speicherauslagerung eingeleitet. Das Betriebssystem verwaltet diesen Vorgang automatisch und bildet durch die Zuordnung des physischen Speicherbereichs zum Swap-Speicher eine virtuelle Speicherkapazität (nicht physischen RAM). 

Das Hauptziel dieses gesamten Vorgangs besteht darin, mehr nutzbaren Speicher bereitzustellen, als die Computerhardware tatsächlich enthält. Benutzer können den Speicher auf den Festplattenspeicher erweitern. Das führt zu einer effizienten Speicherverwaltung und gewährleistet gleichzeitig Stabilität. 

Was ist Swap-Speicher oder eine Swap-Datei?

Der physische Speicher eines Computers reicht zwar aus, doch meistens benötigen wir mehr Platz. Daher lagern wir einen Teil des Speichers auf die Festplatte aus. Der Swap-Speicher einer Festplatte dient als Ersatz für den physischen Speicher. Er enthält Abbilder des Prozessspeichers und fungiert als virtueller Speicher. 

Wenn der physische Speicher des Computers erschöpft ist, verwendet er virtuellen Speicher, um Daten auf einer Festplatte abzulegen. Das Betriebssystem des Computers nutzt den Swap-Speicher, damit das Gerät über mehr Speicher zu verfügen scheint, als tatsächlich vorhanden ist.

Speicherauslagerung bezeichnet den Austausch von Daten zwischen virtuellem und physischem Speicher; „Swap-Speicher“ bezeichnet dabei den dafür verwendeten Festplattenspeicher. Laufende Prozesse können virtuellen Speicher nutzen, der sich aus RAM und Festplattenspeicher zusammensetzt. Wenn der RAM ausgelastet ist, wird der Swap-Speicher – ein auf der Festplatte gespeicherter Teil des virtuellen Speichers – verwendet.

Wenn der Systemspeicher knapp ist, erzeugt eine Systemdatei namens Swap-Datei temporären Speicherplatz auf einem Solid-State-Laufwerk oder einer Festplatte. Diese Datei gibt Speicher für andere laufende Programme frei, indem sie einen Teil des RAMs inaktiver Anwendungen auslagert.

Benutzer können die von Betriebssystemen wie Windows, Linux und anderen standardmäßig bereitgestellte Größe des Swap-Speichers an ihre Anforderungen anpassen. Der virtuelle Speicher lässt sich vollständig deaktivieren, wenn der Benutzer ihn nicht verwenden möchte. 

Wenn sie dies jedoch tun und der Speicher ausgeht, beendet der Kernel einige der laufenden Prozesse, um ausreichend physischen Speicher freizugeben. Ob Swap-Speicher verwendet wird, entscheidet allein der Benutzer.

Mehr dazu: Speicher vs. Speicherplatz: Wo liegen die Unterschiede?

Vorteile der Speicherauslagerung

Speicherauslagerung bietet mehrere Vorteile: Sie optimiert das System, verbessert seine Multitasking-Fähigkeiten und priorisiert Prozesse für einen kontinuierlichen Betrieb. Hier sind einige Vorteile der Speicherauslagerung: 

• Maximale Speichernutzung: Durch die Auslagerung wird Speicher freigegeben, sodass mehr Anwendungen reibungslos ausgeführt werden können. Swap-Dateien stellen sicher, dass jedes Programm über einen eigenen dedizierten Speicher verfügt, was die Gesamtleistung verbessert.
• Kontinuierlicher Betrieb: Die prioritätsbasierte Ablaufplanung von Prozessen kann die Auslagerungsmethode nutzen. Dabei wird eine Aktivität mit niedriger Priorität durch einen Prozess mit hoher Priorität ersetzt, wodurch Betriebsunterbrechungen minimiert werden.
• Systemoptimierung: Durch die Auslagerung kann die CPU viele Aufgaben gleichzeitig ausführen, wodurch sich die Wartezeit von Programmen bis zu ihrer Ausführung verkürzt. Dadurch kann die CPU zahlreiche Prozesse in einem einzigen Hauptspeicher leichter steuern.
• Verbessertes Multitasking: Speicherauslagerung trägt außerdem dazu bei, den Grad des Multiprogrammings zu erhöhen, indem mehr Programme gleichzeitig ausgeführt und RAM effizient genutzt werden können.

Nachteile der Speicherauslagerung

Speicherauslagerung hat auch einige Nachteile, darunter Leistungseinbußen, Kapazitätsbeschränkungen und Informationsverlust. Hier sind einige mögliche Nachteile der Speicherauslagerung:  

• Leistung: Wenn die Speicherauslagerung ausgelöst wird, kann der Festplattenspeicher nicht die gleiche Leistung bieten wie der tatsächliche RAM, der zur Prozessausführung verwendet wird.
• Beschränkungen des Festplattenspeichers: Die Zuverlässigkeit und Zugänglichkeit des Speichermediums unterstützen Swap-Dateien, die möglicherweise nicht so zuverlässig wie der Systemspeicher sind.
• Kapazität: Der vom Betriebssystem oder Hypervisor zugewiesene Swap-Speicher begrenzt, wie viel Speicher ausgelagert werden kann.
• Informationsverlust: Wenn das Computersystem während einer intensiven Auslagerung die Stromversorgung verliert, können alle programmbezogenen Informationen verloren gehen.
• Mehr Seitenfehler: Ist die Auslagerungsmethode unzureichend, kann das kombinierte Verfahren zu mehr Seitenfehlern führen und die Verarbeitungsgeschwindigkeit verringern. 

Wie verbessert Speicherauslagerung die Leistung?

Das Hauptziel der Speicherauslagerung bei der Speicherverwaltung besteht darin, mehr Speicher zugänglich zu machen, als die Computerhardware unterstützt. Unter Umständen wird physischer Speicher zugewiesen, obwohl ein Prozess weiterhin mehr Speicher benötigt. 

Speicherauslagerung ermöglicht es dem Betriebssystem und seinen Benutzern, den Speicher auf die Festplatte zu erweitern, anstatt das System ausschließlich auf physischen RAM-Speicher zu beschränken.

Das Betriebssystem oder der Hypervisor überwacht den Speicherauslagerungsprozess. Swap ist häufig standardmäßig aktiviert, Benutzer können ihn jedoch deaktivieren. Das Betriebssystem steuert den eigentlichen Auslagerungsvorgang und die Erstellung der Swap-Datei automatisch. 

Der Vorgang beginnt bei Bedarf, weil Prozesse und Apps den physischen RAM beanspruchen und mehr Platz benötigen. Der Zustand der physischen Speicherseiten wird in den Swap-Speicher übertragen, sobald zusätzlicher RAM benötigt wird. So wird eine virtuelle (im Gegensatz zu einer physischen RAM-)Speicherkapazität implementiert.

Beispiele für Speicherauslagerung

Auslagerung ist der Austausch von Prozessen. Beim Prozesswechsel kommt außerdem eine prioritätsbasierte, präemptive Ablaufplanung zum Einsatz. Das bedeutet: Wenn ein Prozess mit höherer Priorität in das System gelangt, verschiebt die Speicherverwaltung den Prozess mit der niedrigsten Priorität vorübergehend auf die Festplatte und führt den Prozess mit der höchsten Priorität im Hauptspeicher aus. 

Der Prozess mit der niedrigeren Priorität wird wieder in den Speicher verschoben und setzt seine Ausführung fort, sobald der Prozess mit der höchsten Priorität abgeschlossen ist. Diese Technik wird als Roll-in/Roll-out bezeichnet.

Findet die Adressbindung während des Ladevorgangs statt, belegen aus dem Hauptspeicher ausgelagerte Prozesse beim erneuten Laden in den Hauptspeicher denselben Adressraum. Bei einer Bindung zur Laufzeit würde die Adresse in Echtzeit bestimmt, sodass der Prozess jeden Adressraum im Hauptspeicher nutzen könnte.

Beim Ein- und Auslagern des Prozesses entstehen mehrere Lücken im Speicher. Um diese Lücken zu verwalten, wird durch ihre Zusammenführung ein großer Speicherbereich erzeugt. Dazu wird jede Prozedur so weit wie möglich nach unten verschoben. Dieser Vorgang wird als Komprimierung bezeichnet und nur selten angewendet, da er viel CPU-Zeit benötigt. 

Wenn beispielsweise 40+20+20 KB freier Speicher vorhanden sind, steht dieser Speicher zwar zur Verfügung, liegt aber nicht zusammenhängend vor. Durch Komprimierung erzeugt die Auslagerung daher einen zusammenhängenden Bereich von 80 KB.

Was ist der Unterschied zwischen Auslagerung und Paging?

Auslagerung bezeichnet das vorübergehende Verschieben eines Prozesses aus dem Hauptspeicher in den Sekundärspeicher, der schneller als der Sekundärspeicher ist. Da RAM jedoch nur über eine begrenzte Kapazität verfügt, werden inaktive Prozesse in den Sekundärspeicher verschoben. 

Paging hingegen ist ein Verfahren zur Speicherzuweisung, bei dem mehreren nicht zusammenhängenden Speicherblöcken Zuweisungen fester Größe zugeordnet werden. Üblicherweise beträgt die Größe 4 KB. Paging findet immer zwischen Seiten statt, die derzeit aktiv sind. 

Im Folgenden finden Sie einige wichtige Unterschiede zwischen Paging und Auslagerung im Betriebssystem:

• Die als Paging bezeichnete Speicherverwaltungstechnik ermöglicht es Systemen, Daten zur Verwendung im Hauptspeicher im Sekundärspeicher abzulegen und von dort abzurufen. Bei der Auslagerung wird dagegen ein Prozess vorübergehend vom Primär- in den Sekundärspeicher verschoben.
• Paging überträgt Seiten und ist dadurch flexibler als die Auslagerung. Die Auslagerung bietet dagegen weniger Flexibilität.
• Bei der Auslagerung laufen viele Aufgaben im Hauptspeicher. Beim Paging hingegen laufen einige Prozesse im Hauptspeicher.
• Prozesse, die zwischen Primär- und Sekundärspeicher ausgetauscht werden, werden als Auslagerung bezeichnet. Beim Paging sind Seiten dagegen gleich große Speicherblöcke, die zwischen Haupt- und Sekundärspeicher verschoben werden.
• Auslagerung beschleunigt den CPU-Zugriff auf Prozesse. Beim Paging kann dagegen virtueller Speicher verwendet werden.
• Auslagerung eignet sich für hohe Arbeitslasten. Paging hingegen ist für leichte bis mittlere Arbeitslasten geeignet.
• Mit Auslagerung ist Multiprogramming möglich. Beim Paging kann der physische Adressraum eines Prozesses nicht zusammenhängend sein, wodurch externe Fragmentierung verhindert wird.

Direktvergleich von Paging und Auslagerung

Paging und Auslagerung wurden in mehreren Situationen direkt miteinander verglichen. Im Folgenden finden Sie einige Unterschiede zwischen den beiden Verfahren:

Kurz gesagt: Was ist Speicherauslagerung?

Die Auslagerungsfunktion des Betriebssystems sorgt für eine ordnungsgemäße Speichernutzung, indem angehaltene oder inaktive Prozesse vorübergehend aus dem Hauptspeicher in den Sekundärspeicher verschoben werden. Einer der wichtigsten Vorteile der Auslagerungstechnik ist ihre Fähigkeit, RAM effizient zu nutzen und die Speicherverfügbarkeit für alle Prozesse zu gewährleisten.

Einer der größten Nachteile der Auslagerungstechnik besteht darin, dass die Systemleistung beeinträchtigt wird, wenn der Auslagerungsalgorithmus nicht gut genug ist. Bei korrekter Ausführung kann die Auslagerung sehr effektiv dazu beitragen, dass Computer reibungslos laufen. Bei einer fehlerhaften Ausführung kann sie jedoch zu einer trägen Leistung oder sogar zu Systemausfällen führen.

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