[CS] 메모리 관리
1. 메모리 관리
운영체제의 대표적인 할 일 중 하나는 메모리 관리이다
컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야 하기 때문이다
가상 메모리 (Virtual Memory)
가상 메모리는 메모리 관리 기법의 하나의 컴퓨터가 실제로
이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게
매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말한다
이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소 (logical address) 라고 하며
실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소 (physical address) 라고 한다
가상 주소는 메모리관리장치 (MMU)에 의해 실제 주소로변환되며
이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있다
가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고
프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리된다
이때 속도 향상을 위해 TLB를 쓴다
TLB (Translation Lookaside Buffer)
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다
페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며
CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다
스와핑 (Swapping)
만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는
현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다
이를 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고
필요할때 다시 RAM으로 불러와 올린다
사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여
RAM을 효과적으로 관리하는 것을 스와핑이라고 한다
페이지 폴트 (Page Fault)
페이지 폴트란 프로세스의 주소 공간(가상 메모리)에는 존재하지만
지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생한다
이때 운영체제는 다음 과정으로 해당 데이터를 메모리로 가져와
마치 페이지 폴트가 전혀 발생하지 않은 것처럼 프로그램을 작동시킨다
1) CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에게 알린다
2) 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춘다
3) 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고
없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾는다
물리 메모리에도 없다면 스와핑을 발동시킨다
4) 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고 페이지 테이블을 최신화 시킨다
5) 중단되었던 CPU를 다시 시작한다
페이지
가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
프레임
실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
스레싱 (Thrashing)
스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미한다
이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다
스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면
스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것이다
페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다
CPU 이용률이 낮아지면 운영체제는 CPU가 놀고있는가 싶어서
가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다
이처럼 악순환이 반복되며 스레싱이 일어나게된다
이를 해결하기 위한 방법으로는 메모리를 늘리거나
HDD를 사용한다면 HDD를 SDD로 바꾸는 방법이 있다
이 외에 운영체제에서 이를 해결하기 위해서
작업세트와 PFF가 있다
작업 세트 (Working Set)
작업 세트는 프로세스의 과거 사용이력인 지역성을 통해 결정된
페이지집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는것을 말한다
미리 메모리에 로드하면 탐색에드는 비용을 줄일 수 있고
스와핑 또한 줄일 수 있다
PFF (Page Fault Frequency)
페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법이다
만약 상한선에 도달한다면 페이지를 늘리고 하한선에 도달한다면 페이지를 줄이는 것이다
2. 메모리 할당
메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로
항당하게 되는데 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다
연속 할당
연속 할당은 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말한다
이때 메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과
매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변 분할 방식이 있다
고정 분할 방식 (Fixed Partition Allocation)
메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이다
메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융동성이 없다
또한 내부 단편화가 발생한다
내부 단편화 (Internal Fragmentation)
내부 단편화는 메모리를 할당할 때 프로세스가 필요한 양보다
더 큰 메모리가 할당되어서 메모리 공간이 낭비되는 상황이다
가변 분할 방식 (Variable Partition Allocation)
가변 분할 방식은 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로
메모리를 나눠서 사용한다
내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화는 발생할 수 있다
이는 최초적합, 최적적합, 최악적합이 있다
외부 단편화 (External Fragmentation)
메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복될 때
작은 메모리 중간중간에 사용하지 않는 메모리가 많이 존재해서
총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수없을때 발생한다
| 최초 적합 (First Fit) | 메모리를 뒤져서 가장 처음에 들어갈 수 있는 곳에 들어가는 것이다 |
| 최적 적합 (Best Fit) | 전체를 다 뒤져서 가장 맞는곳에 들어가는 것이다 |
| 최악 적합 (Worst Fit) | 전체를 다 뒤져서 가장 안맞는 곳에 들어가는 것이다 |
불연속 할당
메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법으로
불연속 할당인 페이징 기법이 있다
이 외에도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다
페이징 (Paging)
페이징은메모리를 동일한 크기의 페이지로 나눈다 보통 4KB
그리고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당한다
홀의 크키가 균일하지않은 문제가 없어지지만 주소변환이 복잡해 진다
세그멘테이션 (Segmentation)
세그멘테이션은 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식이다
프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어진다
코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있다
공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생한다
페이지드 세그멘테이션 (Paged Segmentation)
페이지드 세그멘테이션은 공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고
물리적 메모리는 페이지로 나누는것을 말한다