메모리2(메모리 관리)

2, 메모리 관리

 

가상 메모리(Virtual Memory)

메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것

가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address), 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소(physicla address)

가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환.

이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있음.

 

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고, 프로세스의 주소 정보가 들어있는 '페이지 테이블'로 관리

이때 속도 향상을 위해 TLB를 사용

TLB(Translation Lookaside Buffer): 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시.
페이지 테이블에 있는 리스트를 보관, CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상할 수 있는 캐시 계층.

 

스와핑(swapping)

가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생함.

이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 사용하여 페이지 폴트가 발생하지 않은 것처럼 만드는 기법.

 

페이지 폴트(page fault)

프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 일어남.

1. 어떤 명령어가 유효한 가상 조수에 접근했으나 해당 페이지가 만약 없다면 트랩이 발생되어 운영체제에 알림

2. 운영체제는 실제 디스크로부터 사용하지 않은 프레임을 탐색

3. 해당 프레임을 실제 메모리에 가져와 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 특정 페이와 교체 (스와핑 발생)

4. 페이지 테이블을 갱신시킨 후 해당 명령어를 다시 시작

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

 

스레싱(thrashing)

메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래함.

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생함.

1. 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률 저하.

2. 이를 인식한 운영체제가 메모리에 많은 프로세스를 올림.

3. 악순환이 반복되며 스레싱 발생

 

이를 해결하기 위한 방법으로는 메모리를 늘리거나, HDD를 SSD로 교체 등

운영체제에서 해결할 수 있는 방법은 작업 세트와 PFF가 있음.

 

작업 세트(working set)

프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것.

미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용 감소, 스와핑 또한 줄일 수 있음.

 

PFF(Page Fault Frequency)

상한선과 하한선을 만드는 방법으로 페이지 폴트 빈도를 조절함.

상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄임.

 

메모리 할당

메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당.

연속 할당과 불연속 할당으로 나뉨.

 

연속 할당

메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말함.

프로세스 A, B, C가 순차적으로 공간에 할당하는 것, 이는 메모리는 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변 분할 방식이 있음.

 

고정 분할 방식(fixed partition allocaiotn)

메모리는 미리 나누어 관리하는 방식, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없고 내부 단편화가 발생

 

가변 분할 방식(cariable partition allocation)

매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용

내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화는 발생, 이는 최초적합(first fit), 최적적합(best fit), 최악적합(worst fit)이 있음.

최초적합	위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당
최적적합	프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당
최악적합	프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당

내부 단편화(internal fragmentation): 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생
외부 단편화(external fragmentation): 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생
홀(hole): 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간

 

불연속 할당

메모리는 연속적으로 할당하지 않는 페이징 기법. 메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것. 페이징 기법 말고도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있음.

 

페이징(paging)

동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당.

홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해짐.

 

세그멘테이션(segmentation)

페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식.

프로세스를 이루는 메모리는 코드영역, 데이터 영역, 스택 영역. 힙 영역으로 이루어지는데 코드와 데이터로 나누거나 코드 내의 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나눌 수도 있음.

이는 공유와 보안 측면에서 장점을 가지지만 홀 크기가 균일하지 않은 단점이 있음.

 

페이지 교체 알고리즘

메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 발생.

스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어남.

 

오프라인 알고리즘(offline algorithm)

먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘.

가장 좋은 방법이나 미리에 사용되는 프로세스를 알 수 없기에 사용할 수 없는 알고리즘이지만 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 상한 기준(upper_bound)을 제공.

 

FIFO(First In First Out)

가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법

 

LRU(Least Recently Used)

참조가 가장 오래된 페이지를 교체

오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있음.

LRU 구현은 보통 해시 테이블과 이중 연결 리스트로 구현, 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고, 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타냄.

 

NUR(Not Used recently)

일명 clock 알고리즘이라고 하며 LRU에서 발전한 형태.

먼저 0과 1을 가진 비트를 두고, 1은 최근에 참조되고 0은 참조되지 않음을 의미.

시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체 후 1로 바꾸는 알고리즘.

 

LFU(Least Frequently Used)

가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체.

 

 

 

'면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성한 글입니다.

저자 블로그: https://blog.naver.com/jhc9639/222714239679