Sowohl für Benutzer als auch für Entwickler ist es wichtig zu verstehen, wie Computer Daten verwalten und speichern. Diese Lektion behandelt wichtige Konzepte der Speicherverwaltung und -speicherung und untersucht, wie Software diese Ressourcen nutzt.
Im Wesentlichen ist der Computerspeicher der Ort, an dem Daten vorübergehend gespeichert werden, damit der Prozessor schnell darauf zugreifen kann. Die wichtigsten Speichertypen in einem Computer sind Random Access Memory (RAM) und Read-Only Memory (ROM).
RAM ist flüchtig, d. h. es speichert Daten nur, wenn es mit Strom versorgt wird. ROM hingegen ist nichtflüchtig und speichert wichtige Daten wie die Firmware des Systems, die sich nicht oft ändert.
Unter Speicherverwaltung versteht man die Steuerung und Koordination des Computerspeichers. Dabei werden den verschiedenen laufenden Programmen sogenannte Blöcke genannte Bereiche zugewiesen, um die Gesamtleistung zu optimieren.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie das Betriebssystem Programmen Speicher zuweisen kann:
Die dynamische Zuweisung kann weiter in Stapelzuweisung und Heapzuweisung unterteilt werden. Die Stapelzuweisung ist schnell, aber in der Größe begrenzt, während die Heapzuweisung flexibler ist, aber in Sprachen wie C und C++ manuelle Verwaltung erfordert.
Virtueller Speicher ist eine Technik, die die Ausführung von Prozessen ermöglicht, die nicht vollständig im RAM liegen. Er erweitert den verfügbaren Speicher, indem er einen Teil der Festplatte als temporären Speicher oder Swap-Speicher verwendet.
Das Betriebssystem unterteilt den virtuellen Speicher in Seiten, von denen jede bei Bedarf unabhängig in den RAM geladen werden kann. Die Formel zur Berechnung der virtuellen Speichergröße lautet \( \textrm{Virtueller Speicher} = \textrm{RAM Größe} + \textrm{Swap-Platz} \) .
In Programmiersprachen wie Java und Python wird die Speicherverwaltung häufig durch einen Prozess namens Garbage Collection automatisiert. Dieser Prozess gibt automatisch Speicher frei, der Objekten zugewiesen ist, die vom Programm nicht mehr verwendet werden.
Neben der temporären Datenspeicherung im RAM ist eine permanente Datenspeicherung für Anwendungen, Dateien und das Betriebssystem selbst erforderlich. Es gibt zwei Haupttypen von Speichergeräten:
Dateisysteme werden verwendet, um die auf diesen Geräten gespeicherten Daten zu verwalten und zu organisieren. Gängige Dateisysteme sind FAT32, NTFS für Windows und EXT4 für Linux.
Daten in einem Dateisystem sind in einer hierarchischen Struktur organisiert, beginnend mit einem Stammverzeichnis. Jede Datei oder jedes Verzeichnis kann Attribute wie Name, Größe und Berechtigungen haben.
RAID (Redundant Array of Independent Disks) ist eine Technologie, die mehrere Speichergeräte als eine einzige Speichereinheit verwendet und so Datenredundanz und verbesserte Leistung bietet. Es gibt mehrere RAID-Stufen, die jeweils ein unterschiedliches Verhältnis von Leistung und Redundanz bieten.
Cloud-Speicher ermöglicht es Benutzern, Daten auf Remote-Servern zu speichern, auf die über das Internet zugegriffen werden kann. Es bietet Skalierbarkeit, Datenredundanz und den Komfort des Zugriffs von überall mit einer Internetverbindung.
Effizientes Speichermanagement und geeignete Speicherlösungen sind für den reibungslosen Betrieb von Computersystemen von entscheidender Bedeutung. Von der temporären Datenspeicherung im RAM bis zur langfristigen Datenspeicherung in SSDs und Cloud-Diensten ist das Verständnis dieser Konzepte für die Navigation in der digitalen Welt unerlässlich.
