Was ist virtueller Speicher? Der ultimative Leitfaden zu seiner Funktionsweise

Virtueller Speicher ermöglicht es einem System, größere Anwendungen oder gleichzeitig mehr Anwendungen auszuführen, ohne dass der Arbeitsspeicher (RAM) ausgeht. Konkret kann das System so arbeiten, als entsprächen seine gesamten RAM-Ressourcen der Summe aus physischem RAM und virtuellem RAM.

Virtueller Speicher ist eine wichtige Technologie für Unternehmen mit geschäftskritischen Anwendungen, die hohe Anforderungen an die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) stellen. Speichergeräte mit hoher Kapazität, etwa Festplattenlaufwerke (HDDs) und Solid-State-Laufwerke (SSDs), ermöglichen eine Leistung auf Unternehmensniveau. Sie sparen Unternehmen außerdem Geld, da der Einsatz eines Speichergeräts für den virtuellen Speicher weniger kostet als eine leistungsstarke CPU. In diesem Leitfaden erfahren Sie alles über virtuellen Speicher und wie er IT-Teams unterstützen kann.

Leitfaden zum virtuellen Speicher

• Funktionsweise des virtuellen Speichers
• Vorteile der Verwendung von virtuellem Speicher
• Nachteile der Verwendung von virtuellem Speicher
• Virtueller und physischer Speicher
• Zwei Arten von virtuellem Speicher
• Beispiel für die Verwendung von virtuellem Speicher
• Verwaltung des virtuellen Speichers in einem Betriebssystem
• Fazit

Funktionsweise des virtuellen Speichers

Virtueller Speicher ist ein Bereich des sekundären Speicherplatzes eines Computersystems, beispielsweise eine HDD oder eine SSD, der so funktioniert, als wäre er Teil des RAM oder des Primärspeichers des Systems.

Idealerweise werden die für die Ausführung von Anwendungen benötigten Daten im RAM gespeichert, auf den die CPU schnell zugreifen kann. Wenn das System jedoch große Anwendungen ausführt oder viele Anwendungen gleichzeitig laufen, kann sich der RAM des Systems vollständig füllen.

Für dieses Problem gibt es eine Lösung: Im RAM gespeicherte Daten, die gerade nicht aktiv verwendet werden, können vorübergehend in den virtuellen Speicher verschoben werden, der sich physisch auf einer Festplatte oder einem anderen Speichergerät befindet. Dadurch wird Platz im RAM frei, der dann Daten aufnehmen kann, auf die das System sofort zugreifen muss.

Indem ein System Daten bei Nichtbedarf zwischen RAM und virtuellem Speicher und bei Bedarf wieder aus dem virtuellen Speicher in den RAM verschiebt, kann es mit deutlich weniger physischem RAM als normalerweise erforderlich reibungslos weiterarbeiten.

Erfahren Sie mehr über den Unterschied zwischen Speicher und Datenspeicher.

Vorteile der Verwendung von virtuellem Speicher

Virtueller Speicher bietet Computersystemen mehrere Vorteile:

• Mehr Anwendungen können gleichzeitig auf demselben System ausgeführt werden
• Größere Anwendungen können auf Systemen ausgeführt werden, deren physischer RAM allein für ihre Ausführung nicht ausreicht
• Die Erweiterung des Speichers durch virtuellen Speicher ist kostengünstiger als der Kauf von mehr RAM
• Er erweitert den Speicher eines Systems, das bereits über die maximale RAM-Menge verfügt, die von seiner Hardware und seinem Betriebssystem unterstützt wird.

Nachteile der Verwendung von virtuellem Speicher

Virtueller Speicher hat auch einige Nachteile:

• Er bietet nicht dieselbe Leistung wie RAM
• Er kann die Gesamtleistung eines Systems beeinträchtigen und dadurch Verlangsamungen verursachen
• Er belegt Speicherplatz, der andernfalls für die langfristige Datenspeicherung verwendet werden könnte

Virtueller und physischer Speicher

Virtueller Speicher ist eine Form des logischen Speichers. Computer lesen den logischen Speicher als Primärspeicher, tatsächlich befindet er sich jedoch auf einem lokalen Laufwerk und wird nicht direkt von der CPU angesprochen. Der Computer liest die Adresse des logischen Speichers so, als befände er sich ebenfalls auf der Hauptplatine. Da er sich dort jedoch nicht tatsächlich befindet, kann das Abrufen dieser Daten länger dauern als das Abrufen von Daten aus dem flüchtigen Speicher.

Im Gegensatz dazu ist der physische Speicher, also der auf der Hauptplatine des Computers speziell für den RAM vorgesehene Speicherbereich, flüchtig. Dieser Speicher existiert nur, wenn der Computer eingeschaltet ist, und verschwindet beim Herunterfahren des Computers.

Zwei Arten von virtuellem Speicher

Speicherverwaltungssysteme verwenden zwei Arten virtueller Speichermethoden, um die Leistung von Anwendungen zu verbessern.

Paging

In einem System, das Paging verwendet, wird der RAM in eine Reihe von Blöcken unterteilt, die als Seiten bezeichnet werden und normalerweise 4K groß sind. Prozessen werden anschließend genau so viele Seiten zugewiesen, wie sie für ihren Speicherbedarf benötigen. Das bedeutet, dass immer eine kleine Menge Speicher verschwendet wird – außer in dem ungewöhnlichen Fall, dass ein Prozess genau eine ganzzahlige Anzahl von Seiten benötigt.

Im normalen Betrieb werden Seiten zwischen dem RAM und einer Seitendatei ausgetauscht, die den virtuellen Speicher darstellt.

Segmentierung

Segmentierung ist ein alternativer Ansatz für die Speicherverwaltung: Statt Seiten fester Größe weist das Speicherverwaltungssystem Prozessen Segmente unterschiedlicher Länge zu, die ihren Anforderungen genau entsprechen. Anders als bei einem Paging-System wird in einem Segment kein Speicher verschwendet.

Segmentierung ermöglicht außerdem, Anwendungen in logisch unabhängige Adressräume aufzuteilen, wodurch sie sich leichter und sicherer gemeinsam nutzen lassen.

Ein Nachteil der Segmentierung besteht darin, dass die unterschiedliche Länge der einzelnen Segmente zu einer Fragmentierung des Speichers führen kann. Da Segmente fortlaufend zugewiesen und wieder freigegeben werden, verteilen sich kleine Speicherblöcke über den Speicherbereich. Sie sind zu klein, um sinnvoll genutzt werden zu können.

Wenn sich diese kleinen Blöcke ansammeln, können immer weniger Segmente sinnvoller Größe zugewiesen werden. Für das Betriebssystem ist es schwierig, den Überblick über all diese Segmente zu behalten, und jeder Prozess muss mehrere Segmente verwenden. Das ist ineffizient und kann die Gesamtleistung von Anwendungen beeinträchtigen.

Lesen Sie mehr über Paging und Segmentierung.

Beispiel für die Verwendung von virtuellem Speicher

Ein IT-Manager verwendet einen Apple-Laptop mit macOS. Alle üblichen Arbeitsanwendungen wie Gmail und Slack sind aktiv. Zusätzlich verwendet er Atera, eine beliebte Software für Remote Monitoring und Management. Diese Plattform ermöglicht IT-Managern, alle Unternehmensgeräte und Nutzungsstatistiken der Mitarbeiter zu überwachen. Dieses Programm benötigt mehr Speicher, als der RAM des Laptops gleichzeitig verarbeiten kann. Um den Speichermangel auszugleichen, verschiebt die Speicherverwaltungseinheit des Computers die Daten des virtuellen Speichers zur CPU.

Wenn die Leistung des virtuellen Speichers auf dem Computer des IT-Managers nachlässt, kann der Austausch des sekundären Speichers – einer Festplatte – gegen ein Solid-State-Laufwerk die Leistung steigern. SSDs sind Flash-Speicher und lesen Daten insgesamt schneller als Festplatten.

Verwaltung des virtuellen Speichers in einem Betriebssystem

Öffnen Sie unter Windows das Startmenü und die Einstellungen und geben Sie in der Suchleiste „Leistung“ ein. Wählen Sie „Darstellung und Leistung von Windows anpassen“. Wählen Sie im daraufhin angezeigten Fenster die Registerkarte „Erweitert“. Wählen Sie im Bereich „Virtueller Speicher“ die Option „Ändern“. Geben Sie die gewünschten Größen in die Felder für die Anfangsgröße und die maximale Größe ein. Beide Werte werden in Megabyte angegeben.

Bei Mac-Betriebssystemen ist die Anpassung des virtuellen Speichers etwas weniger einfach. Eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung besteht darin, den Speicherplatz eines Computers zu erweitern. Das ist jedoch teuer. Der Einbau einer größeren Festplatte schafft mehr Kapazität für den virtuellen Speicher. Benutzer können außerdem die Parameter Random Access Memory (PRAM) und Non-Volatile Random Access Memory (NVRAM) zurücksetzen.

Fazit: Die Bedeutung des virtuellen Speichers

Virtueller Speicher erweitert die Leistungsfähigkeit der Computer und Server von Unternehmen, indem er zusätzlichen Speicherplatz neben der begrenzten Kapazität der CPU bereitstellt. Obwohl virtueller Speicher langsamer als Arbeitsspeicher ist, ist er für die Gesamtleistung des Betriebssystems von entscheidender Bedeutung.

Die Kombination aus virtuellem und physischem Speicher ermöglicht es Computern, mehr Anwendungen zu unterstützen und erweiterte Speicherressourcen bereitzustellen. Der von sekundären Speichern bereitgestellte virtuelle Speicher wird von Unternehmen genutzt, um Computer für größere Datenmengen auszurüsten.

Lesen Sie als Nächstes mehr über Speicherverwaltung in Computersystemen.