Was ist externe Fragmentierung?

4. Dezember 2024

Externe Fragmentierung tritt auf, wenn der freie Speicher in verstreute Blรถcke aufgeteilt wird, wodurch es schwierig wird, zusammenhรคngenden Speicherplatz fรผr neue Prozesse zuzuweisen.

Was ist externe Fragmentierung?

Was versteht man unter externer Fragmentierung?

Externe Fragmentierung ist ein Phรคnomen in der Speicherverwaltung, bei dem freier Speicher zwar verfรผgbar ist, aber auf zahlreiche nicht zusammenhรคngende Blรถcke verteilt ist, was es schwierig macht, einem Prozess einen einzelnen groรŸen Speicherblock zuzuweisen. Dies liegt daran, dass sich im Laufe der Zeit, wenn Prozesse in den Speicher geladen und aus ihm entfernt werden, kleine Lรผcken unbrauchbaren Speichers zwischen den zugewiesenen Bereichen ansammeln.

Diese Lรผcken sind mรถglicherweise nicht groรŸ genug, um den Anforderungen neuer Prozesse gerecht zu werden, selbst wenn der gesamte freie Speicher ausreichend groรŸ ist. Externe Fragmentierung ist besonders problematisch in Systemen, die auf dynamischer Speicher Zuweisung, da dies zu einer ineffizienten Nutzung der Speicherressourcen fรผhren kann und Strategien wie Komprimierung oder Paging erforderlich macht, um die Auswirkungen zu mildern.

Beispiel fรผr externe Fragmentierung

Stellen Sie sich ein System mit 100 MB freiem Speicher vor. Zunรคchst wird der Speicher wie folgt zugewiesen:

  1. Prozess A: 10 MB
  2. Prozess B: 20 โ€‹โ€‹MB
  3. Prozess C: 30 MB

Nach einiger Zeit werden die Prozesse A und C beendet und geben ihren Speicher frei. Das Speicherlayout sieht nun folgendermaรŸen aus:

  • Freier Block: 10 MB
  • Besetzter Block: 20 MB (Prozess B)
  • Freier Block: 30 MB

Nun benรถtigt ein neuer Prozess, Prozess D, 35 MB Speicher. Obwohl der gesamte freie Speicher (10 MB + 30 MB = 40 MB) den Bedarf รผbersteigt, kann Prozess D nicht zugewiesen werden, da kein einzelner zusammenhรคngender Block von 35 MB vorhanden ist.

Diese Situation weist auf eine externe Fragmentierung hin, bei der freier Speicher zwar verfรผgbar, aber รผber nicht zusammenhรคngende Bereiche verstreut ist, was eine effiziente Zuweisung verhindert.

Was verursacht externe Fragmentierung?

Externe Fragmentierung wird hauptsรคchlich durch die dynamische Zuweisung und Freigabe von Speicherblรถcken unterschiedlicher GrรถรŸe verursacht. Wenn Prozesse im Laufe der Zeit Speicher anfordern und ihn dann freigeben, bleiben Lรผcken oder Lรถcher im Speicher zurรผck, die oft zu klein sind, um effizient wiederverwendet zu werden. Die wichtigsten Ursachen fรผr externe Fragmentierung sind:

  • Nicht zusammenhรคngende Speicherzuweisung. Speicherblรถcke werden auf Basis der Verfรผgbarkeit und nicht der Kontinuitรคt zugewiesen, was zu verstreuten freien Speicherplรคtzen fรผhrt.
  • Speicheranforderungen mit variabler GrรถรŸe. Verschiedene Prozesse benรถtigen unterschiedliche Speichermengen. Wenn kleinere Prozesse in den von grรถรŸeren Prozessen freigelassenen Speicherplatz zugewiesen werden, entstehen ungleichmรครŸige Lรผcken.
  • Prozessbeendigung oder Freigabe. Wenn Prozesse beendet werden oder Speicher freigeben, kann es sein, dass der freigegebene Speicherplatz nicht mit zukรผnftigen Anforderungen รผbereinstimmt und unbrauchbare Speichersegmente zurรผckbleiben.
  • First-Fit- oder Best-Fit-Zuteilungsstrategien. Speicherzuweisungsmethoden wie โ€žFirst-Fitโ€œ (Zuweisung des ersten verfรผgbaren Blocks) und โ€žBest-Fitโ€œ (Zuweisung des kleinsten geeigneten Blocks) kรถnnen zur Fragmentierung beitragen, indem sie kleine, unbrauchbare Lรผcken zwischen den zugewiesenen Blรถcken hinterlassen.
  • Langlaufende Systeme. Im Laufe der Zeit kommt es bei Systemen, die eine groรŸe Zahl von Zuordnungs- und Freigabezyklen verarbeiten, aufgrund wiederholter Vorgรคnge zu einer Fragmentierung des Speichers.

Welche Auswirkungen hat externe Fragmentierung?

externe Fragmentierungseffekte

Externe Fragmentierung kann mehrere erhebliche Auswirkungen auf die Systemleistung und Speicherauslastung haben, darunter:

  • Ineffiziente Speichernutzung. Auch wenn mรถglicherweise ausreichend Gesamtspeicher verfรผgbar ist, ist dieser mรถglicherweise fรผr Prozesse, die grรถรŸere zusammenhรคngende Blรถcke erfordern, unbrauchbar, was zu einer Unterauslastung der Ressourcen fรผhrt.
  • Reduzierte Systemleistung. Durch die Fragmentierung erhรถht sich die Zeit, die bei der Zuweisung fรผr die Suche nach geeigneten Speicherblรถcken benรถtigt wird, was mรถglicherweise zu einer Verlangsamung des Systembetriebs fรผhrt.
  • Zuordnungsfehler. Bei Prozessen, die groรŸe zusammenhรคngende Speicherblรถcke erfordern, kann die Zuweisung mรถglicherweise fehlschlagen, selbst wenn der kombinierte freie Speicher ausreichend ist.
  • Hรคufige Speicherfehler. Mit zunehmender Fragmentierung kann das System fรคlschlicherweise Speicherengpรคsse aufgrund unzureichenden zusammenhรคngenden Speicherplatzes melden, selbst wenn freier Speicher verfรผgbar ist.
  • Notwendigkeit einer hรคufigen Speicherkomprimierung. Zurรผckfordern fragmentierter Speicher, Systeme erfordern mรถglicherweise eine Komprimierung, einen Prozess der Neuanordnung des Speichers, um freien Speicherplatz zu konsolidieren, was laufende Prozesse stรถren und Verarbeitungszeit beanspruchen kann.
  • Verschwendete Ressourcen. Kleine, verstreute freie Blรถcke bleiben oft ungenutzt, was zu einem Szenario fรผhrt, in dem physikalischer Speicher ist zwar verfรผgbar, kann aber nicht effektiv zugewiesen werden, um die Prozessanforderungen zu erfรผllen.

Wie kann eine externe Fragmentierung verhindert werden?

Um externe Fragmentierung zu verhindern, mรผssen Speicherverwaltungstechniken implementiert werden, die die Notwendigkeit einer zusammenhรคngenden Speicherzuweisung minimieren oder eliminieren. Zu den gรคngigen Strategien gehรถren:

  • Paging. Der Speicher wird in Blรถcke fester GrรถรŸe, sogenannte Seiten, aufgeteilt, und Prozessen werden Seiten statt zusammenhรคngendem Speicher zugewiesen. Dadurch entfรคllt die Notwendigkeit einer zusammenhรคngenden Zuweisung, wodurch externe Fragmentierung effektiv vermieden wird.
  • Segmentierung mit PagingEine Kombination aus Segmentierung und Paging ordnet logische Speichersegmente Seiten fester GrรถรŸe zu, wodurch die Fragmentierung verringert wird und gleichzeitig flexibilitรคt bei der Speichernutzung.
  • Buddy-Speicherzuweisung. Dieses System weist den Speicher in Blรถcken mit einer GrรถรŸe von Zweierpotenzen zu und teilt und verbindet die Blรถcke nach Bedarf. Dadurch wird die Fragmentierung minimiert, da sichergestellt wird, dass der Speicher in vorhersehbaren GrรถรŸen zugewiesen wird.
  • Speicherkomprimierung. Die regelmรครŸige Neuorganisation des Speichers durch Zusammenschieben zugewiesener Blรถcke und Konsolidieren freier Speicherplรคtze kann die Fragmentierung verringern. Dieser Ansatz ist jedoch ressourcenintensiv und kann die Systemleistung beeintrรคchtigen.
  • Verwenden Sie die Best-Fit- oder Worst-Fit-Zuweisung mit Bedacht. Allokationsstrategien kรถnnen angepasst werden, um die Fragmentierung zu minimieren. So kรถnnen beispielsweise bei der besten Lรถsung kleinere Lรผcken entstehen, wรคhrend bei der schlechtesten Lรถsung grรถรŸere Lรผcken entstehen, die fรผr andere Prozesse wiederverwendbar sind.
  • Verbesserungen der dynamischen Speicherverwaltung. Erweitert Algorithmen kann Zuordnungsmuster vorhersagen und die Speichernutzung optimieren, um die Fragmentierung im Laufe der Zeit zu reduzieren.
  • Virtuellen Speicher verwenden. virtuellen Speicher entkoppelt den logischen Speicher vom physischen Speicher und ermรถglicht Prozessen den Zugriff auf den Speicher, ohne sich um dessen physisches Layout kรผmmern zu mรผssen. Auf diese Weise wird eine Fragmentierung vermieden.

Wie behebt man externe Fragmentierung?

Um externe Fragmentierung zu beheben, mรผssen Sie in der Regel die Speicherzuweisung und -verwaltung neu organisieren oder รผberdenken. Zu den gรคngigen Methoden gehรถren:

  • Speicherkomprimierung. Ordnen Sie den Speicher neu an, um verstreute freie Blรถcke in einem einzigen zusammenhรคngenden Block zu konsolidieren. Dieser Prozess ist zwar effektiv, erfordert jedoch viel Rechenleistung und kann laufende Prozesse stรถren. Daher wird er hรคufig nur sparsam eingesetzt.
  • Dynamische Speicherdefragmentierung. Setzen Sie Algorithmen ein, die die Speicherzuweisung im Hintergrund aktiv neu ordnen, um die Fragmentierung zu minimieren, ohne den Systembetrieb zu unterbrechen.
  • Wechseln Sie zur Paging-Funktion. Ersetzen Sie die zusammenhรคngende Speicherzuweisung durch Paging. Bei diesem Ansatz wird der Speicher in Blรถcke (Seiten) fester GrรถรŸe aufgeteilt und Prozesse kรถnnen nicht zusammenhรคngende Seiten verwenden, wodurch die externe Fragmentierung vollstรคndig vermieden wird.
  • Segmentierung mit Paging. Kombinieren Sie Segmentierung und Paging, um eine logische Trennung der Prozesse bei der Zuordnung zu physischen Seiten zu gewรคhrleisten und so die Notwendigkeit zusammenhรคngender Speicherblรถcke zu vermeiden.
  • Strategien zur Speicherzuweisung. รœberprรผfen Sie Zuordnungsmethoden wie First-Fit, Best-Fit oder Worst-Fit. Einige Methoden kรถnnen die Fragmentierung verstรคrken, wรคhrend andere grรถรŸere wiederverwendbare Speicherblรถcke hinterlassen kรถnnen.
  • Speicherrรผckgewinnung. Implementieren Sie Garbage Collection-Systeme, um Speicher freizugeben, der von beendeten Prozessen oder ungenutzten Objekten belegt ist. So stellen Sie sicher, dass fragmentierter Speicherplatz fรผr die zukรผnftige Verwendung zurรผckgewonnen wird.
  • Virtuellen Speicher verwenden. Virtueller Speicher ermรถglicht die Betriebssystem um grรถรŸere zusammenhรคngende Speicherbereiche durch die Zuordnung virtueller Adressen zu physischen Adressen zu simulieren und so die physische Fragmentierung effektiv zu umgehen.

Vor- und Nachteile der externen Fragmentierung

Hier sind die wichtigsten Vor- und Nachteile der externen Fragmentierung.

Was sind die Vorteile der externen Fragmentierung?

Obwohl externe Fragmentierung im Allgemeinen als Nachteil bei der Speicherverwaltung angesehen wird, kann sie je nach Systemanforderungen und Speicherzuweisungsstrategien gelegentlich Vorteile bieten. Diese Vorteile ergeben sich, wenn flexDie Flexibilitรคt bei der Speichernutzung und -zuweisung hat Vorrang vor strikter Effizienz.

1. Flexibilitรคt bei der dynamischen Speicherzuweisung

Externe Fragmentierung entsteht durch den Einsatz dynamischer Speicherzuweisung, wodurch Prozesse Speicher basierend auf ihren spezifischen Anforderungen anfordern kรถnnen. Dies flexibility stellt sicher, dass Speicher nur bei Bedarf und in der genau benรถtigten GrรถรŸe zugewiesen wird, wodurch unnรถtige รœberzuweisungen vermieden werden. Dies kann zwar zu verstreutem freiem Speicherplatz fรผhren, bedeutet aber auch, dass Speicherressourcen prรคziser genutzt werden und so unterschiedlichen Arbeitslasten Rechnung getragen wird.

2. Bessere Eignung fรผr groรŸe und vielfรคltige Prozesse

In Systemen, in denen die Speicheranforderungen der Prozesse stark variieren, kรถnnen diese unterschiedlichen Prozesse mithilfe externer Fragmentierung untergebracht werden, ohne dass eine strikte Einheitlichkeit der ZuordnungsgrรถรŸen erzwungen werden muss. Diese Anpassungsfรคhigkeit stellt sicher, dass groรŸe oder einzigartige Prozesse auch bei unregelmรครŸigem Layout noch ausreichend Speicher finden, solange ein zusammenhรคngender Block der erforderlichen GrรถรŸe verfรผgbar ist.

3. Geringerer Aufwand im Vergleich zur Verdichtung

Im Gegensatz zu Komprimierungs- oder Paging-Systemen, die zusรคtzliche Verarbeitung erfordern oder Hardware Unterstรผtzung bei der Speicherverwaltung, externe Fragmentierung tritt natรผrlich als Nebenprodukt einfacher Zuordnungsstrategien auf. Dies reduziert den Systemaufwand in Bezug auf Komplexitรคt und Ressourcenverbrauch und ist somit ein Kompromiss, der Systemen zugute kommen kann, bei denen Leistungseinschrรคnkungen den Bedarf an hocheffizienter Speichernutzung รผberwiegen.

Was sind die Nachteile der externen Fragmentierung?

Externe Fragmentierung stellt eine groรŸe Herausforderung fรผr die Speicherverwaltung dar und kann zu Ineffizienzen und potenziellen Leistungsengpรคssen in Systemen fรผhren, die auf dynamische Speicherzuweisung angewiesen sind. Im Folgenden sind die wichtigsten Nachteile der externen Fragmentierung aufgefรผhrt.

1. Ineffiziente Speichernutzung

Bei externer Fragmentierung wird der Speicher in kleine, verstreute, freie Blรถcke aufgeteilt, die oft zu klein sind, um effektiv genutzt zu werden. Selbst wenn ausreichend Speicher zur Verfรผgung steht, verhindert der Mangel an zusammenhรคngendem Speicherplatz dessen Zuweisung an Prozesse, die grรถรŸere Blรถcke benรถtigen. Diese ineffiziente Speichernutzung kann zur Verschwendung von Ressourcen fรผhren und die Gesamtbetriebskapazitรคt des Systems verringern.

2. Zuordnungsfehler trotz verfรผgbarem Speicher

Ein entscheidender Nachteil der externen Fragmentierung besteht darin, dass sie zu Zuordnungsfehlern fรผhren kann, selbst wenn der gesamte freie Speicher die Anforderungen eines Prozesses รผbersteigt. Wenn ein Prozess beispielsweise 50 MB Speicher anfordert, der grรถรŸte verfรผgbare zusammenhรคngende Block jedoch nur 40 MB groรŸ ist, schlรคgt die Zuordnung fehl, was zu Ineffizienzen und mรถglichen Betriebsunterbrechungen fรผhrt.

3. Erhรถhter Systemaufwand

Das Vorhandensein von fragmentiertem Speicher erhรถht den Rechenaufwand fรผr die Speicherzuweisung. Die Suche nach geeigneten Blรถcken, die den Prozessanforderungen entsprechen, dauert in einem fragmentierten Speicherlayout lรคnger. Diese zusรคtzliche Verarbeitungszeit beeintrรคchtigt die Leistung von Anwendungen und verlangsamt den Systembetrieb.

4. Notwendigkeit hรคufiger Speicherkomprimierung

Um externe Fragmentierung zu beheben, ist hรคufig eine Speicherkomprimierung erforderlich, bei der freier Speicherplatz in zusammenhรคngende Blรถcke konsolidiert wird. Dieser Prozess ist zwar effektiv, aber zeit- und rechenintensiv und kann laufende Prozesse vorรผbergehend unterbrechen. Hรคufige Komprimierung erhรถht den Systemaufwand und beeintrรคchtigt die Benutzererfahrung, insbesondere bei Echtzeitanwendungen.

5. Skalierbarkeitsbeschrรคnkungen bei Systemen mit langer Laufzeit

Im Laufe der Zeit hรคuft sich in Systemen mit dynamischer Zuordnung externe Fragmentierung an, wodurch sie weniger in der Lage sind, neue Prozesse effizient zu verarbeiten. Dieses Problem wird bei Systemen mit langer Laufzeit oder hoher Fluktuationsrate, bei denen Zuordnungs- und Freigabezyklen hรคufig sind, noch ausgeprรคgter. Die daraus resultierende Fragmentierung schrรคnkt die Skalierbarkeit des Systems, was seine Fรคhigkeit zur Unterstรผtzung grรถรŸerer Arbeitslasten einschrรคnkt.


Anastazija
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Anastazija ist eine erfahrene Content-Autorin mit Wissen und Leidenschaft fรผr cloud Computer, Informationstechnologie und Online-Sicherheit. Bei phoenixNAP, konzentriert sie sich auf die Beantwortung brennender Fragen zur Gewรคhrleistung der Datenrobustheit und -sicherheit fรผr alle Teilnehmer der digitalen Landschaft.