메모리1(메모리 계층)
메모리 계층
메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성
| 레지스터 |
| 캐시(L1, L2 캐시) |
| 메모리(RAM)/주기억장치 |
| 저장장치(HDD, SSD)/보조기억장치 |
- 레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적음.
- 캐시: L1, L2캐시를 지칭, 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적음. (L3 캐시도 있음)
- 주기억장치: RAM, 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통.
- 보조기억장치: HDD, SSD를 말함, 비휘발성, 속도 느림, 기억 용량 많음.
램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할
계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라짐.
이러한 계층이 있는 이유는 경제성과 캐시 때문임.
흔히 게임 실행 중 로딩하는 화면은 하드디스크 또는 인터넷에서 데이터를 읽어 RAM으로 전송하는 과정 중임.
캐시(Cache)
데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소, 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리.
이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있음.
실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결.
이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 함.
ex) 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있음.
지역성의 원리
캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 함.
시간 지역성과 공간 지역성으로 자주 사용하는 데이터를 판단
시간 지역성( Temporal locality): 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성
공산 지역성(Spatial locality): 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성
캐시히트와 캐시미스
캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트
해당 데이터가 캐시에 없다면 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스
- 캐시히트를 하게 되면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져옴.
- 캐시히트의 경우 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠름.
- 캐시미스가 발생되면 메모리에서 가져오게 되는데, 이는 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느림.
캐시 매핑
캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법. 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘해주려면 매핑을 어떻게 하느냐가 중요.
캐시 매핑 분류
| 직접매핑 (directed mapping) |
메모리가 1~100, 캐시가 1~10이 있다면 1:1~10, 2:1~20 이런식으로 매핑, 처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦음. |
| 연관매핑 (associaltive mapping) |
순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑, 충돌이적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느림. |
| 집합 연관 매핑 (set associative mapping) |
직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐놓은 것, 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장해서 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적 메모리가 1~100, 캐시가 1~10 있으면 캐시1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것. |
웹 브라우저의 캐시
대표적인 소프트웨어적인 캐시로는 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있음.
보통 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰이며 오리진(origin)에 종속.
쿠키(cookie)
만료기한이 있는 키-값 저장소.
same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송.
4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있음.
쿠키를 설정할 때는 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요.
클라이언트 또는 서버에서 만료기한 등을 정할 수 있고 보통 서버에서 만료기한을 정함.
로컬 스토리지
만료기한이 없는 키-값 저장소, 5MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지됨.
HTML5를 지원하는 않는 웹 브라우저에서는 사용 불가, 클라이언트에서만 수정 가능.
세션 스토리지
만료기한이 없는 키-값 저장소.
탭 단위로 세션 스토리지를 생성, 탭을 닫을 대 해당 데이터가 삭제됨.
5MB까지 저장 가능, HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용 불가, 클라이언트에서만 수정 가능.
데이터베이스의 캐싱 계층
데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터베이스 계층을 '캐싱 계층'으로 둬서 성능을 향상하기도 함.
'면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성한 글입니다.