메모리 관리(Memory management) Re
가상 메모리
가상 메모리(virtual memory)는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여
이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말한다.
가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환된다.
가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 '페이지 테이블'
로 관리된다. 이 때 속도 향상을 위해 TLB를 쓴다.
※ TLB (translation look a side 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)
가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우
페이지 폴트가 발생한다.
이 때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 메모리처럼 불러와 쓰는
것을 스와핑(swapping)이라고 한다. 이를 통해 페이지 폴트가 일어나지 않는 것처럼 만든다.
※ 참고
페이지 : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
프레임 : 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
● 스레싱(thrashing)
스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미한다. 스레싱이 발생하면 CPU이용률이 낮아진다. 그렇게 되면
CPU는 여유롭다고 생각하여 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다.
이와 같은 악순환이 반복되며 스레싱이 일어난다.
→ 직관적인 방법은 HDD를 사용하거나 HDD를 SSD로 바꾸는 방법이 있지만 운영체제에서 이를
해결할 수 있는 방법은 작업 세트와 PFF가 있다.
1) 작업세트(working set)
- 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것이다.
2) PFF(Page Fault Frequency)
- 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법이다. 만약 상한선에 도달한다면 프레임을
늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 것이다.
● 메모리 할당
메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데, 연속 할당과
불연속 할당으로 나뉜다.
연속 할당
1) 고정 분할 방식(fixed partition allocation)
메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 내부 단편화 발생
→ 내부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생
2) 가변 분할 반식(variable partition allocation)
프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다. 내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화는 발생할 수 있다.
→ 외부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 발생
※ 참고
- 최초적합 : 위 쪽이나 아래 쪽부터 시작해서 메모리 공간을 찾으면 바로 할당한다.
- 최적적합 : 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 메모리 공간을 할당한다.
- 최악적합 : 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당한다.
불연속 할당
메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을
할당하는 것이다. 페이징, 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다.
1) 페이징(Paging)
동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다. 홀의 크기가 균일하지 않은
문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해진다.
2) 세그멘테이션
세그멘테이션(segmentation)은 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식이다.
프로세스의 메모리 중에 코드와 데이터로 나누거나 코드 내의 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나눌 수도 있다.
이는 공유와 보안 측면에서 장점을 가지지만 홀 크기가 균일하지 않은 단점이 있습니다.
3) 페이지드 세그멘테이션
페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)은 프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유나 보안 측면에
강점을 두고 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 것을 말한다.
● 페이지 교체 알고리즘
메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어난다. 스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며
이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어난다.
1) 오프라인 알고리즘
오프라인 알고리즘(offline algorithm)은 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘
이며, 가장 좋은 방법이다. 그걸 알 수 없으므로 비교에 대한 상한기준을 제공하기만 한다.
2) FIFO
- Fist In First Out
3) LRU(Least Recently User)
- 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다. 오래된 것을 파악하기 위해 페이자마다 계수기, 스택을 두어야 한다.
- 두 개의 자료 구조가 필요한데 Hash Table이고 이중 연결 리스트에서 찾을 수 있다.
4) NUR(Not Userd Recently) = clock 알고리즘
- 0과 1을 가진 비트를 둔다. 1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미한다. 시계 방향으로 돌면서
0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾼다.
5) LFU(Least Frequently User)
- 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체한다.