메모리 관리

가상 메모리(virtual memory)

가상 메모리는 컴퓨터가 실제로 사용 가능한 메모리 자원을 추상화해서 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 하는 메모리 관리 기법이다.

-가상 주소(logical address)

가상적으로 주어진 주소이며 가상 주소는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환된다. 따라서 실제 주소를 의식하지 않고 프로그램 구축이 가능하다. 가상 메모리에는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있어 프로세스 주소 정보가 들어있는 페이지 테이블로 관리된다. 속도 향상을 위해 TLB를 사용한다.

• TLB: 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관해서 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않고 TLB에서 찾아 속도가 향상된다.

 

-실제 주소(physical address)

실제 메모리상에 있는 주소

 

-스와핑(swapping)

가상 메모리에는 존재하는데 실제 메모리인 RAM에 없는 데이터에 접근하면 페이지 폴트가 발생한다. 이를 방지 하기 위해서는 현재 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮겼다가 필요할 때 RAM에 불러와서 효율적으로 관리한다. 이를 스와핑이라고 한다.

 

-페이지 폴트(page fault)

페이지 폴트는 프로세스 주소 공간에는 있지만 RAM에는 없는 데이터에 접근하면 발생한다. 따라서 운영체제는 페이지 폴트가 발생하지 않은 것 처럼 해준다. 그 과정은

1. CPU는 물리 메모리에 찾은 페이지가 없으면 트랩을 발생시켜 OS에 알린다.
2. OS는 CPU 동작을 멈춘다.
3. OS는 페이지 테이블을 확인해서 가상 메모리에 페이지가 있나 확인한다. 만약 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾는다. 물리 메모리에도 없으면 스와핑이 발동된다.
4. 비어 있는 프레임에 찾는 페이지를 로드하고 페이지 테이블을 최신화한다.
5. 중단된 CPU를 다시 시작

• 페이지(page): 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
• 프레임(frame): 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

스레싱(thrashing)

스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은것이다. 따라서 심각한 성능 저하가 일어난다.

 

-정의

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가면 스와핑이 많이 일어나서 발생한다.

-원인

페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아지는데, 이렇게 되면 OS 입장에서는 CPU에 여유가 있는 것으로 인식해서 메모리에 프로세스를 더 올린다. 이런 악순환이 반복되어 스레싱이 일어난다.

-해결법

메모리를 늘리거나 HDD를 SDD로 바꾼다. 혹은 OS에서는 작업 세트와 PFF가 있다.

• 작업 세트(working set): 프로세스의 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어 미리 메모리에 로드하는 것, 미리 메모리에 로드하면 탐색 비용이 줄고 스와핑도 준다.
• PFF(Page Fault Frequency): 페이지 폴트 빈도의 상한선과 하한선을 만든다. 상한선에 도달하면 페이지를 늘리고 하한선에 도달하면 페이지를 줄인다. 

PFF

메모리 할당

메모리 할당은 시작 메모리 위치, 크기를 기준으로 할당하는데 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.

연속 할당

연속 할당은 메모리 공간에 연속적으로 할당하는 것이다.

이렇게 연속해서 할당한다. 여기에서는 또 메모리를 미리 나눠서 관리하는 고정 분할 방식과 프로그램 크기에 맞기 메모리를 분할하는 가변 분할 방식이 있다.

 

-고정 분할 방식(fixed partition allocation)

고정 분할 방식은 메모리를 미리 나눠 관리한다. 메모리가 미리 나눠져 있어서 융통성이 없고 내부 단편화가 발생한다.

내부 단편화

• 내부 단편화(internal fragmentation): 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 메모리에 들어가면 공간이 낭비되는 현상, 사진에서 C를 Empty에 할당하면 20MB가 남는데 사용하지 못하여 낭비된다.

 

-가변 분할 방식(variable partition allocation)

매 시점마다 프로그램 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠서 사용한다. 내부 단편화는 발생하지 않지만 외부 단편화가 발생 할 수 있다.

외부 단편화

• 외부 단편화(external fragmentation): 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 현상, C를 할당할 여유는 있지만 공간이 연속적이지 않아서 할당을 하지 못한다. Empty 공간을 압축하여 하나로 만들면 C를 할당할 수 있다.

가변 분할 방식 종류

1. 최초적합(first fit): 위 혹은 아래부터 시작해 홀을 찾으면 바로 할당
2. 최적적합(best fit): 프로세스보다 큰 공간들 중에서 가장 작은 홀부터 할당
3. 최악적합(worst fit): 프로세스의 크기와 가장 차이가 많이 나는 홀에 할당

• 홀(hole): 할당할 수 있는 빈 메모리 공간

불연속 할당

메모리를 연속적으로 할당하지 않는다. 현대 OS는 불연속 할당으로 페이징 기법을 사용한다. 메모리를 동일한 크기의 페이지(보통 4KB)로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 둬서 메모리에 프로그램을 할당한다. 다른 기법으로는 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다.

 

-페이징(paging)

페이징은 동일한 크기의 페이지 단위로 나눠서 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다. 홀 크기가 균일하지만 주소 변환이 복잡하다. 외부 단편화를 없앨 수 있지만 페이지가 클수록 내부 단편화가 커진다.

 

-세그멘테이션(segmentation)

세그멘테이션은 페이지 단위가 아닌 세그먼트(segment) 단위로 나누는 방식이다. 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어져 있는데 코드와 데이터 등을 이렇게 나눌 수 있다. 즉 함수 단위로 나눌 수 있다. 공유와 보안 측면에서 좋지만 홀 크기가 균일하지 않다.

 

-페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)

페이지드 세그멘테이션은 공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나눈다. 그리고 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것을 의미한다.

페이지 교체 알고리즘

메모리는 한정되어 있어 스와핑이 많이 일어난다. 따라서 스와핑이 많이 일어나지 않아야 하고 스와핑은 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 일어난다.

 

-오프라인 알고리즘(offline algorithm)

오프라인 알고리즘은 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당되는 페이지를 바꾸는 알고리즘이다. 가장 좋은 방법이지만 앞으로 사용될 프로세스를 예측할 수는 없다. 따라서 이 알고리즘은 사용할 수 없지만 다른 알고리즘을 평가하는 기준이 된다.

 

-FIFO(First In First Out)

FIFO는 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 먼저 두는 방법이다.

 

-LRU(Least Recentle Used)

LRU는 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다. 가장 오래된 것을 알기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 둬야하는 단점이 있다.

5번째로 들어오는 5번 페이지가 왔을 때, 가장 오래된 1번 페이지는 스왑된다.

 

-NUR(Not Used Recently)

LRU에서 발전한 것이 NUR이며 일명 clock 알고리즘이라고 불린다.

1. 0과 1을 가진 비트를 둔다(1은 최근 참조, 0은 참조 안됨)
2. 시계 방향으로 돌면서 0을 찾는다. 
3. 0을 찾으면 해당 프로세스를 교체하고 해당 부분을 1로 바꾼다.

-LFU(Least Frequently Used)

LFU는 가장 참조 회수가 적은 페이지를 교체한다. 즉, 많이 사용되지 않은 것을 교체