Cos'è la frammentazione esterna?

Dicembre 4, 2024

La frammentazione esterna si verifica quando la memoria libera viene suddivisa in blocchi sparsi, rendendo difficile l'allocazione di spazio contiguo per nuovi processi.

cos'è la frammentazione esterna

Cosa si intende per frammentazione esterna?

La frammentazione esterna è un fenomeno nella gestione della memoria in cui la memoria libera è disponibile ma distribuita su numerosi blocchi non contigui, rendendo difficile allocare un singolo grande blocco di memoria a un processo. Ciò si verifica perché, nel tempo, man mano che i processi vengono caricati e rimossi dalla memoria, si accumulano piccoli spazi vuoti di memoria inutilizzabile tra le regioni allocate.

Questi gap potrebbero non essere abbastanza grandi da soddisfare i requisiti dei nuovi processi, anche se la memoria libera totale è di dimensioni sufficienti. La frammentazione esterna è particolarmente problematica nei sistemi che si basano su memoria dinamica allocazione, poiché può portare a un uso inefficiente delle risorse di memoria e richiedere strategie come la compattazione o la paginazione per mitigarne gli effetti.

Esempio di frammentazione esterna

Considera un sistema con 100 MB di memoria libera. Inizialmente, la memoria è allocata come segue:

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

Dopo un po' di tempo, i processi A e C terminano, liberando la loro memoria. Il layout della memoria ora appare così:

  • Blocco libero: 10 MB
  • Blocco occupato: 20 MB (Processo B)
  • Blocco libero: 30 MB

Ora, un nuovo processo, Process D, richiede 35 MB di memoria. Sebbene la memoria libera totale (10 MB + 30 MB = 40 MB) superi il requisito, Process D non può essere allocato perché non esiste un singolo blocco contiguo di 35 MB.

Questa situazione dimostra una frammentazione esterna, in cui la memoria libera è disponibile ma distribuita su spazi non contigui, impedendo un'allocazione efficiente.

Quali sono le cause della frammentazione esterna?

La frammentazione esterna è causata principalmente dall'allocazione e deallocazione dinamica di blocchi di memoria di dimensioni variabili. Nel tempo, man mano che i processi richiedono memoria e poi la rilasciano, nella memoria rimangono lacune o buchi che sono spesso troppo piccoli per essere riutilizzati in modo efficiente. Le cause principali della frammentazione esterna includono:

  • Allocazione di memoria non contigua. I blocchi di memoria vengono allocati in base alla disponibilità, non alla continuità, con conseguente creazione di spazi liberi sparsi.
  • Richieste di memoria di dimensioni variabili. Processi diversi richiedono quantità di memoria diverse. Quando processi più piccoli vengono allocati in spazi lasciati da processi più grandi, si creano spazi irregolari.
  • Terminazione o deallocazione del processo. Quando i processi terminano o liberano memoria, gli spazi liberati potrebbero non essere allineati con le richieste future, lasciando segmenti di memoria inutilizzabili.
  • Strategie di allocazione first-fit o best-fit. Metodi di allocazione della memoria come il first-fit (assegnazione del primo blocco disponibile) e il best-fit (assegnazione del più piccolo blocco adatto) possono contribuire alla frammentazione lasciando piccoli spazi inutilizzabili tra i blocchi allocati.
  • Sistemi di lunga durata. Nel tempo, i sistemi che gestiscono un gran numero di cicli di allocazione e deallocazione accumulano memoria frammentata a causa di operazioni ripetute.

Quali sono gli effetti della frammentazione esterna?

effetti di frammentazione esterna

La frammentazione esterna può avere diversi effetti significativi sulle prestazioni del sistema e sull'utilizzo della memoria, tra cui:

  • Utilizzo inefficiente della memoria. Anche se fosse disponibile una quantità di memoria totale sufficiente, questa potrebbe risultare inutilizzabile per i processi che richiedono blocchi contigui più grandi, con conseguente sottoutilizzo delle risorse.
  • Prestazioni del sistema ridotte. La frammentazione aumenta il tempo impiegato nella ricerca di blocchi di memoria adatti durante l'allocazione, rallentando potenzialmente le operazioni del sistema.
  • Errori di allocazione. I processi che richiedono grandi blocchi di memoria contigui potrebbero non riuscire ad allocare, anche se la memoria libera complessiva è sufficiente.
  • Frequenti errori di memoria esaurita. Con l'accumularsi della frammentazione, il sistema potrebbe segnalare erroneamente carenze di memoria dovute a spazio contiguo insufficiente, anche quando è disponibile memoria libera.
  • Necessità di una frequente compattazione della memoria. Per reclamare memoria frammentata, i sistemi potrebbero richiedere la compattazione, un processo di riorganizzazione della memoria per consolidare gli spazi liberi, che può interrompere i processi in esecuzione e consumare tempo di elaborazione.
  • Risorse sprecate. Piccoli blocchi sparsi e liberi spesso rimangono inutilizzati, portando a uno scenario in cui memoria fisica è disponibile ma non può essere allocato in modo efficace per soddisfare i requisiti del processo.

Come prevenire la frammentazione esterna?

La prevenzione della frammentazione esterna comporta l'implementazione di tecniche di gestione della memoria che riducono al minimo o eliminano la necessità di allocazione contigua della memoria. Le strategie comuni includono:

  • Paging. La memoria è divisa in blocchi di dimensioni fisse chiamati pagine, e ai processi vengono assegnate pagine anziché memoria contigua. Ciò elimina la necessità di allocazione contigua, evitando efficacemente la frammentazione esterna.
  • Segmentazione con pagingUna combinazione di segmentazione e paging mappa i segmenti di memoria logica in pagine di dimensioni fisse, riducendo la frammentazione mantenendo flexcapacità nell'utilizzo della memoria.
  • Assegnazione della memoria Buddy. Questo sistema alloca la memoria in blocchi di dimensioni che sono potenze di due, dividendo e unendo i blocchi secondo necessità. Ciò riduce al minimo la frammentazione assicurando che la memoria sia allocata in dimensioni prevedibili.
  • Compattazione della memoria. Riorganizzare periodicamente la memoria spostando insieme i blocchi allocati e consolidando gli spazi liberi può ridurre la frammentazione. Tuttavia, questo approccio richiede molte risorse e può compromettere le prestazioni del sistema.
  • Utilizzare saggiamente l'allocazione migliore o peggiore. Le strategie di allocazione possono essere personalizzate per ridurre al minimo la frammentazione. Ad esempio, il best-fit potrebbe lasciare gap più piccoli, mentre il worst-fit potrebbe garantire gap più grandi riutilizzabili per altri processi.
  • Miglioramenti nella gestione dinamica della memoria. Filtri Algoritmi può prevedere modelli di allocazione e ottimizzare l'utilizzo della memoria per ridurre la frammentazione nel tempo.
  • Utilizzo della memoria virtuale. la memoria virtuale separa la memoria logica da quella fisica, consentendo ai processi di accedere alla memoria senza preoccuparsi della sua disposizione fisica, evitando così la frammentazione.

Come risolvere la frammentazione esterna?

La correzione della frammentazione esterna in genere comporta la riorganizzazione o il ripensamento del modo in cui la memoria viene allocata e gestita. I metodi comuni includono:

  • Compattazione della memoria. Riorganizza la memoria per consolidare blocchi liberi sparsi in un singolo blocco contiguo. Sebbene efficace, questo processo è computazionalmente costoso e può interrompere i processi in esecuzione, quindi è spesso usato con parsimonia.
  • Deframmentazione dinamica della memoria. Utilizzare algoritmi che mescolano attivamente le allocazioni di memoria in background per ridurre al minimo la frammentazione senza interrompere le operazioni di sistema.
  • Passare alla modalità di paging. Sostituisci l'allocazione di memoria contigua con il paging. In questo approccio, la memoria è divisa in blocchi di dimensioni fisse (pagine) e i processi possono usare pagine non contigue, eliminando del tutto la frammentazione esterna.
  • Segmentazione con paginazione. Combina segmentazione e paginazione per fornire una separazione logica per i processi durante la mappatura su pagine fisiche, evitando la necessità di blocchi di memoria contigui.
  • Strategie di allocazione della memoria. Rivalutare i metodi di allocazione come first-fit, best-fit o worst-fit. Alcuni metodi possono esacerbare la frammentazione, mentre altri possono lasciare blocchi di memoria riutilizzabili più grandi.
  • Recupero della memoria. Implementare sistemi di garbage collection per liberare la memoria occupata da processi terminati o oggetti inutilizzati, garantendo che gli spazi frammentati vengano recuperati per un uso futuro.
  • Utilizzo della memoria virtuale. La memoria virtuale consente la sistema operativo per simulare spazi di memoria contigui più grandi mappando gli indirizzi virtuali su quelli fisici, aggirando di fatto la frammentazione fisica.

Vantaggi e svantaggi della frammentazione esterna

Ecco i principali vantaggi e svantaggi della frammentazione esterna.

Quali sono i vantaggi della frammentazione esterna?

Sebbene la frammentazione esterna sia generalmente considerata uno svantaggio nella gestione della memoria, può occasionalmente avere dei vantaggi a seconda delle esigenze del sistema e delle strategie di allocazione della memoria. Questi vantaggi si verificano quando flexLa facilità di utilizzo e allocazione della memoria è prioritaria rispetto alla rigorosa efficienza.

1. Flexbilità nell'allocazione dinamica della memoria

La frammentazione esterna deriva dall'uso di dinamiche allocazione della memoria, che consente ai processi di richiedere memoria in base alle loro esigenze specifiche. Questo flexbility assicura che la memoria venga allocata solo quando necessario e nella dimensione esatta richiesta, riducendo l'eccessiva allocazione non necessaria. Mentre questo può portare a spazi liberi dispersi, significa anche che le risorse di memoria vengono utilizzate in modo più preciso, adattandosi a carichi di lavoro diversi.

2. Maggiore idoneità per processi ampi e diversificati

Nei sistemi in cui i processi variano ampiamente nei requisiti di memoria, la frammentazione esterna consente di ospitare questi diversi processi senza imporre una rigida uniformità nelle dimensioni di allocazione. Questa adattabilità assicura che processi grandi o unici possano comunque trovare memoria sufficiente, anche se il layout è irregolare, purché sia ​​disponibile un blocco contiguo delle dimensioni richieste.

3. Spese generali ridotte rispetto alla compattazione

A differenza dei sistemi di compattazione o di paging, che richiedono un'elaborazione aggiuntiva o hardware supporto per gestire la memoria, la frammentazione esterna avviene naturalmente come sottoprodotto di semplici strategie di allocazione. Ciò riduce il sovraccarico del sistema in termini di complessità e consumo di risorse, rendendolo un compromesso che può avvantaggiare i sistemi in cui i vincoli di prestazioni superano la necessità di un utilizzo della memoria altamente efficiente.

Quali sono gli svantaggi della frammentazione esterna?

La frammentazione esterna pone sfide significative alla gestione della memoria, portando a inefficienze e potenziali colli di bottiglia delle prestazioni nei sistemi che si basano sull'allocazione dinamica della memoria. Di seguito sono riportati i principali svantaggi della frammentazione esterna.

1. Utilizzo inefficiente della memoria

La frammentazione esterna lascia la memoria divisa in piccoli blocchi sparsi e liberi che sono spesso troppo piccoli per essere utilizzati in modo efficace. Anche quando è disponibile una memoria totale sufficiente, la mancanza di spazio contiguo impedisce la sua allocazione a processi che richiedono blocchi più grandi. Questa inefficiente utilizzazione della memoria può causare lo spreco di risorse, riducendo la capacità operativa complessiva del sistema.

2. Errori di allocazione nonostante la memoria disponibile

Uno svantaggio critico della frammentazione esterna è che può portare a fallimenti di allocazione, anche quando la memoria libera totale supera i requisiti di un processo. Ad esempio, se un processo richiede 50 MB di memoria ma il blocco contiguo più grande disponibile è di soli 40 MB, l'allocazione fallisce, con conseguenti inefficienze e possibili interruzioni delle operazioni.

3. Aumento del sovraccarico del sistema

La presenza di memoria frammentata aumenta il sovraccarico computazionale per l'allocazione della memoria. La ricerca di blocchi adatti che soddisfano i requisiti del processo richiede più tempo in un layout di memoria frammentata. Questo tempo di elaborazione aggiuntivo degrada le prestazioni di applicazioni e rallenta le operazioni del sistema.

4. Necessità di una frequente compattazione della memoria

Per affrontare la frammentazione esterna spesso è necessaria la compattazione della memoria, in cui gli spazi liberi vengono consolidati in blocchi contigui. Sebbene efficace, questo processo richiede molto tempo e risorse computazionali e può interrompere temporaneamente i processi in esecuzione. Una compattazione frequente aumenta il sovraccarico del sistema e influisce sull'esperienza utente, specialmente nelle applicazioni in tempo reale.

5. Limitazioni di scalabilità nei sistemi di lunga durata

Nel tempo, la frammentazione esterna si accumula nei sistemi con allocazione dinamica, rendendoli meno capaci di gestire nuovi processi in modo efficiente. Questo problema diventa più pronunciato nei sistemi di lunga durata o in quelli con un elevato tasso di abbandono, dove i cicli di allocazione e deallocazione sono frequenti. La frammentazione risultante limita la modulabilità del sistema, limitandone la capacità di supportare carichi di lavoro più grandi.


Anastasia
Spasojevic
Anastazija è una scrittrice di contenuti esperta con conoscenza e passione per cloud informatica, informatica e sicurezza online. A phoenixNAP, si concentra sulla risposta a domande scottanti su come garantire la robustezza e la sicurezza dei dati per tutti i partecipanti al panorama digitale.