Wat is externe fragmentatie?

Externe fragmentatie treedt op wanneer het vrije geheugen wordt verdeeld in verspreide blokken, waardoor het moeilijk wordt om aaneengesloten ruimte toe te wijzen voor nieuwe processen.

Wat wordt bedoeld met externe fragmentatie?

Externe fragmentatie is een fenomeen in geheugenbeheer waarbij vrij geheugen beschikbaar is, maar verdeeld over talloze niet-aaneengesloten blokken, waardoor het lastig is om één groot blok geheugen aan een proces toe te wijzen. Dit gebeurt omdat, naarmate processen worden geladen en verwijderd uit het geheugen, er kleine gaten van onbruikbaar geheugen ontstaan ​​tussen toegewezen regio's.

Deze gaten zijn mogelijk niet groot genoeg om te voldoen aan de vereisten van nieuwe processen, zelfs als het totale vrije geheugen voldoende groot is. Externe fragmentatie is met name problematisch in systemen die afhankelijk zijn van dynamisch geheugen toewijzing, omdat dit kan leiden tot inefficiënt gebruik van geheugenbronnen en strategieën zoals compactie of paging nodig maakt om de effecten ervan te beperken.

Voorbeeld van externe fragmentatie

Beschouw een systeem met 100 MB vrij geheugen. In eerste instantie wordt het geheugen als volgt toegewezen:

1. Proces A: 10 MB
2. Proces B: 20 ​​MB
3. Proces C: 30 MB

Na enige tijd worden Processen A en C beëindigd, waardoor hun geheugen wordt vrijgegeven. De geheugenindeling ziet er nu zo uit:

• Gratis blok: 10 MB
• Bezet blok: 20 MB (Proces B)
• Gratis blok: 30 MB

Nu heeft een nieuw proces, Process D, 35 MB geheugen nodig. Hoewel het totale vrije geheugen (10 MB + 30 MB = 40 MB) de vereiste overschrijdt, kan Process D niet worden toegewezen omdat er geen enkel aaneengesloten blok van 35 MB is.

Deze situatie is een teken van externe fragmentatie, waarbij vrij geheugen beschikbaar is, maar verspreid is over niet-aangrenzende ruimtes, waardoor efficiënte toewijzing wordt verhinderd.

Wat veroorzaakt externe fragmentatie?

Externe fragmentatie wordt voornamelijk veroorzaakt door de dynamische toewijzing en deallocatie van geheugenblokken in verschillende groottes. Na verloop van tijd, wanneer processen geheugen aanvragen en het vervolgens vrijgeven, ontstaan ​​er gaten of gaps in het geheugen die vaak te klein zijn om efficiënt te worden hergebruikt. De belangrijkste oorzaken van externe fragmentatie zijn:

• Niet-aaneengesloten geheugentoewijzing. Geheugenblokken worden toegewezen op basis van beschikbaarheid, niet op basis van continuïteit, waardoor er verspreide vrije ruimtes ontstaan.
• Geheugenaanvragen van variabele grootte. Verschillende processen vereisen verschillende hoeveelheden geheugen. Wanneer kleinere processen worden toegewezen in ruimtes die door grotere processen zijn overgelaten, ontstaan ​​er ongelijke gaten.
• Beëindiging of vrijgave van processen. Wanneer processen worden beëindigd of geheugen wordt vrijgegeven, is het mogelijk dat de vrijgemaakte ruimte niet meer overeenkomt met toekomstige aanvragen. Hierdoor blijven er onbruikbare geheugensegmenten achter.
• First-fit of best-fit allocatiestrategieën. Geheugentoewijzingsmethoden zoals first-fit (toewijzen van het eerste beschikbare blok) en best-fit (toewijzen van het kleinste geschikte blok) kunnen bijdragen aan fragmentatie door kleine, onbruikbare gaten tussen toegewezen blokken te laten.
• Langlopende systemen. Systemen die een groot aantal toewijzings- en vrijgavecycli verwerken, verzamelen na verloop van tijd gefragmenteerd geheugen als gevolg van herhaalde bewerkingen.

Wat zijn de effecten van externe fragmentatie?

Externe fragmentatie kan een aantal belangrijke effecten hebben op de systeemprestaties en het geheugengebruik, waaronder:

• Inefficiënt geheugengebruik. Ook al is er in totaal voldoende geheugen beschikbaar, het kan onbruikbaar zijn voor processen die grotere aaneengesloten blokken nodig hebben. Dit kan leiden tot onderbenutting van de bronnen.
• Verminderde systeemprestaties. Fragmentatie zorgt ervoor dat er tijdens de toewijzing meer tijd nodig is om te zoeken naar geschikte geheugenblokken, waardoor de systeemwerking mogelijk wordt vertraagd.
• Toewijzingsfouten. Processen die grote aaneengesloten geheugenblokken nodig hebben, kunnen mogelijk geen geheugen toewijzen, zelfs als het gecombineerde vrije geheugen voldoende is.
• Vaak voorkomende fouten door onvoldoende geheugen. Naarmate de fragmentatie toeneemt, kan het systeem ten onrechte geheugentekorten melden vanwege onvoldoende aaneengesloten ruimte, zelfs als er wel vrij geheugen beschikbaar is.
• Regelmatige geheugencompressie is noodzakelijk. Terug te vorderen gefragmenteerd geheugensystemen kunnen compressie nodig hebben, een proces waarbij geheugen opnieuw wordt ingedeeld om vrije ruimte te consolideren, wat lopende processen kan verstoren en verwerkingstijd kan kosten.
• Verspilde hulpbronnen. Kleine, verspreide vrije blokken blijven vaak ongebruikt, wat leidt tot een scenario waarin fysiek geheugen beschikbaar is, maar niet effectief kan worden toegewezen om aan de procesvereisten te voldoen.

Hoe voorkom je externe fragmentatie?

Voorkomen van externe fragmentatie omvat het implementeren van geheugenbeheertechnieken die de noodzaak voor aaneengesloten toewijzing van geheugen minimaliseren of elimineren. Veelvoorkomende strategieën zijn:

• Paging. Geheugen is verdeeld in blokken van vaste grootte, pagina's genaamd, en processen krijgen pagina's toegewezen in plaats van aaneengesloten geheugen. Dit elimineert de noodzaak voor aaneengesloten toewijzing, waardoor externe fragmentatie effectief wordt vermeden.
• Segmentatie met pagineringEen combinatie van segmentatie en paginering brengt logische geheugensegmenten in kaart in pagina's met een vaste grootte, waardoor fragmentatie wordt verminderd en de flexvermogen in geheugengebruik.
• Toewijzing van buddygeheugen. Dit systeem alloceert geheugen in blokken van groottes die machten van twee zijn, en splitst en voegt blokken indien nodig samen. Dit minimaliseert fragmentatie door ervoor te zorgen dat geheugen wordt gealloceerd in voorspelbare groottes.
• Geheugencompactie. Periodiek geheugen reorganiseren door toegewezen blokken samen te voegen en vrije ruimtes te consolideren kan fragmentatie verminderen. Deze aanpak is echter resource-intensief en kan de systeemprestaties verstoren.
• Gebruik de best-fit of slechtst-fit toewijzing verstandig. Toewijzingsstrategieën kunnen worden aangepast om fragmentatie te minimaliseren. Best-fit kan bijvoorbeeld kleinere gaten achterlaten, terwijl worst-fit grotere gaten kan garanderen die herbruikbaar zijn voor andere processen.
• Verbeteringen in dynamisch geheugenbeheer. Geavanceerd algoritmen kan toewijzingspatronen voorspellen en geheugengebruik optimaliseren om fragmentatie in de loop van de tijd te verminderen.
• Virtueel geheugen gebruiken. virtueel geheugen koppelt het logische geheugen los van het fysieke geheugen, waardoor processen toegang krijgen tot het geheugen zonder rekening te houden met de fysieke indeling ervan. Fragmentatie wordt zo vermeden.

Hoe kan ik externe fragmentatie oplossen?

Het oplossen van externe fragmentatie houdt doorgaans in dat u opnieuw moet organiseren of moet nadenken over hoe geheugen wordt toegewezen en beheerd. Veelvoorkomende methoden zijn:

• Geheugencompactie. Herschik geheugen om verspreide vrije blokken te consolideren in een enkel aaneengesloten blok. Hoewel effectief, is dit proces rekenintensief en kan het lopende processen verstoren, dus het wordt vaak spaarzaam gebruikt.
• Dynamische geheugendefragmentatie. Maak gebruik van algoritmen die geheugentoewijzingen op de achtergrond actief herschikken om fragmentatie tot een minimum te beperken zonder de systeembewerkingen te onderbreken.
• Overschakelen naar paging. Vervang aaneengesloten geheugentoewijzing door paging. In deze aanpak wordt geheugen verdeeld in blokken (pagina's) van vaste grootte en kunnen processen niet-aaneengesloten pagina's gebruiken, waardoor externe fragmentatie volledig wordt geëlimineerd.
• Segmentatie met paging. Combineer segmentatie en paginering om logische scheiding voor processen te bieden tijdens het toewijzen aan fysieke pagina's, waardoor er geen aaneengesloten geheugenblokken nodig zijn.
• Strategieën voor geheugentoewijzing. Evalueer toewijzingsmethoden opnieuw, zoals first-fit, best-fit of worst-fit. Sommige methoden kunnen fragmentatie verergeren, terwijl andere grotere herbruikbare geheugenblokken kunnen achterlaten.
• Herstel van het geheugen. Implementeer garbage collection-systemen om geheugen vrij te maken dat wordt vastgehouden door beëindigde processen of ongebruikte objecten. Zo zorgt u ervoor dat gefragmenteerde ruimte wordt vrijgemaakt voor toekomstig gebruik.
• Virtueel geheugen gebruiken. Virtueel geheugen maakt het mogelijk om besturingssysteem om grotere aaneengesloten geheugenruimtes te simuleren door virtuele adressen toe te wijzen aan fysieke adressen, waardoor fysieke fragmentatie effectief wordt omzeild.

Voordelen en nadelen van externe fragmentatie

Hieronder staan ​​de belangrijkste voor- en nadelen van externe fragmentatie.

Wat zijn de voordelen van externe fragmentatie?

Hoewel externe fragmentatie over het algemeen als een nadeel in geheugenbeheer wordt beschouwd, kan het soms voordelen hebben, afhankelijk van de behoeften van het systeem en de strategieën voor geheugentoewijzing. Deze voordelen ontstaan ​​wanneer flexDe mate waarin geheugen wordt gebruikt en toegewezen, heeft voorrang boven strikte efficiëntie.

1. Flexbaarheid in dynamische geheugentoewijzing

Externe fragmentatie is het resultaat van het gebruik van dynamische geheugentoewijzing, waarmee processen geheugen kunnen aanvragen op basis van hun specifieke behoeften. flexibility zorgt ervoor dat geheugen alleen wordt toegewezen wanneer nodig en in de exacte benodigde grootte, waardoor onnodige overtoewijzing wordt verminderd. Hoewel dit kan leiden tot verspreide vrije ruimtes, betekent het ook dat geheugenbronnen nauwkeuriger worden gebruikt, waardoor uiteenlopende workloads kunnen worden geaccommodeerd.

2. Betere geschiktheid voor grote en diverse processen

In systemen waar processen sterk variëren in geheugenvereisten, zorgt externe fragmentatie ervoor dat deze diverse processen kunnen worden ondergebracht zonder strikte uniformiteit in toewijzingsgroottes af te dwingen. Deze aanpasbaarheid zorgt ervoor dat grote of unieke processen nog steeds voldoende geheugen kunnen vinden, zelfs als de lay-out onregelmatig is, zolang er een aaneengesloten blok van de vereiste grootte beschikbaar is.

3. Verminderde overheadkosten vergeleken met verdichting

In tegenstelling tot compactie- of paginasystemen, die extra verwerking of hardware ondersteuning voor het beheren van geheugen, externe fragmentatie treedt op natuurlijke wijze op als een bijproduct van eenvoudige toewijzingsstrategieën. Dit vermindert de overhead van het systeem in termen van complexiteit en resourceverbruik, waardoor het een afweging is die systemen ten goede kan komen waar prestatiebeperkingen zwaarder wegen dan de behoefte aan zeer efficiënt geheugengebruik.

Wat zijn de nadelen van externe fragmentatie?

Externe fragmentatie vormt een aanzienlijke uitdaging voor geheugenbeheer, wat leidt tot inefficiënties en potentiële prestatieknelpunten in systemen die afhankelijk zijn van dynamische geheugentoewijzing. Hieronder staan ​​de belangrijkste nadelen van externe fragmentatie.

1. Inefficiënt geheugengebruik

Externe fragmentatie laat geheugen verdeeld in kleine, verspreide, vrije blokken die vaak te klein zijn om effectief te worden gebruikt. Zelfs wanneer er voldoende geheugen beschikbaar is, voorkomt het gebrek aan aaneengesloten ruimte dat het wordt toegewezen aan processen die grotere blokken nodig hebben. Dit inefficiënte gebruik van geheugen kan ertoe leiden dat bronnen worden verspild, waardoor de algehele operationele capaciteit van het systeem wordt verminderd.

2. Toewijzingsfouten ondanks beschikbaar geheugen

Een kritisch nadeel van externe fragmentatie is dat het kan leiden tot toewijzingsfouten, zelfs wanneer het totale vrije geheugen de vereisten van een proces overschrijdt. Als een proces bijvoorbeeld 50 MB geheugen aanvraagt, maar het grootste aaneengesloten blok dat beschikbaar is slechts 40 MB is, mislukt de toewijzing, wat resulteert in inefficiënties en mogelijke onderbrekingen van de bewerkingen.

3. Verhoogde systeemoverhead

De aanwezigheid van gefragmenteerd geheugen verhoogt de rekenkundige overhead voor geheugentoewijzing. Het zoeken naar geschikte blokken die voldoen aan de procesvereisten duurt langer in een gefragmenteerde geheugenindeling. Deze extra verwerkingstijd verslechtert de prestaties van toepassingen en vertraagt ​​de systeemwerking.

4. Noodzaak van frequente geheugencompactie

Om externe fragmentatie aan te pakken, is vaak geheugencompactie nodig, waarbij vrije ruimtes worden geconsolideerd in aaneengesloten blokken. Hoewel dit proces effectief is, is het tijdrovend en rekenintensief, en kan het tijdelijk de lopende processen verstoren. Frequente compactie draagt ​​bij aan de overhead van het systeem en beïnvloedt de gebruikerservaring, met name in realtime-applicaties.

5. Schaalbaarheidsbeperkingen in langlopende systemen

Na verloop van tijd hoopt externe fragmentatie zich op in systemen met dynamische toewijzing, waardoor ze minder goed in staat zijn om nieuwe processen efficiënt te verwerken. Dit probleem wordt duidelijker in langlopende systemen of systemen met een hoge churn rate, waar toewijzings- en deallocatiecycli frequent zijn. De resulterende fragmentatie beperkt de schaalbaarheid van het systeem, waardoor de ondersteuning van grotere werklasten wordt beperkt.