[CS] 메모리 계층
1. 메모리 계층
메로리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있다
속도가 높아짐
| 레지스터 |
| 캐시 (L1, L2) |
| 메모리 (RAM) / 주기억장치 |
| 저장장치 (HDD, SDD) / 보조기억장치 |
용량이 많아짐
레지스터
CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억용량이 가장 적다
캐시
L1, L2 캐시를 지칭한다(L3 캐시도있다), 휘발성, 속도 빠름, 기억용량이 적다
주기억장치
RAM을 가리킨다, 휘발성, 속도 보통, 기억용량이 보통
보조기억장치
HDD, SDD를 일컬으며, 휘발성, 속도 낮음, 기억용량이 많다
램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고
이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다
계층 위로 올라갈 수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라지는 특징이 있다
예를들어 게임에서 '로딩 중' 이라고 뜨는데
이는 하드디스크 또는 인터넷에서 데이터를 읽어
RAM으로 전송하는 과정이 아직 끝나지 않음을 의미한다
2. 캐시
데이터를 미리 복사해 놓은 임시 저장소이자
빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리 이다
이를 통해서 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고
무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다
실제 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에
중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결한다
이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 한다
예를 들어 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는
주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있다
지역성의 원리
캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때는
자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 한다
자주 사용하는 데이터에 대한 근거가 되는것은 지역성이다
시간 지역성 (Temporal Locality)
최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 말한다
예를 들어 for 반복문으로 이루어진 코드안의 변수 i에 계속해서 접근한다
여기서 데이터는 변수 i이고 최근에 사용했기 때문에 계속 접근해서
+1을 연이어 하는것을 볼 수 있다
공간 지역성 (Spatical Locality)
최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성을 말한다
예를 들어 공간을 나타내는 배열 arr의 각 요소들에 i가 할당되며
해당 배열에 연속적으로 접근함을 알 수 있다
3. 캐시히트와 캐시미스
캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트라고 한다
해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 한다
캐시히트를 하게 되면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져오게 된다
캐시히트의 경우 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르다
캐시미스가 발생되면 메모리에서 가져오게 된다
캐시미스의 경우 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느리다
캐시 매핑
캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말한다
CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다
레지스터는 주메모리에 비해 굉장히 작고
주메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘하려면
매핑을 어떻게 해주는지가 중요하다
직접매핑 (directed mapping)
메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10 있다면
1:1~10, 2:1~20 이런식으로 매핑하는것을 말한다
처리가 빠르지만 충돌이 발생한다
연관매핑 (associative mapping)
순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다
충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느리다
집합연관매핑 (set associative mapping)
직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐놓은 것이다
순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화 되어 잇기 때문에
검색에 좀 더 효율적이다
웹 브라우저의 캐시
소프트웨어적인 대표적인 캐시는 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있다
이러한 것들은 보통 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을
웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나
중복 요총 방지를 위해 쓰인다
쿠키
만료 기한이 있는 키-값 저장소이다
same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을때 자동 요청 된다
4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 말료 기한을 정할 수 있다
쿠키를 설정할 떄는 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는것이 중요하다
클라이언트 또는 서버에서 만료기한 등을 정할 수 있는데 보통 서버에서 만료기한을 정한다
로컬 스토리지
만료기한이 없는 키-값 저장소이다
10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장 생성된다
HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며 클라이언트만 수정 가능하다
세션 스토리지
만료기한이 없는 키-값 저장소이다
탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다
5MB까지 저장이 가능하며 HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없다
클라이언트에서만 수정 가능하다
데이터 베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에
레디스 데이터베이스 계층을 캐싱 계층으로 둬서 성능을 향상시키기도 한다