메모리 관리를 알아보기 전 메모리 구조에 대해 아주 간단하게만 정리해보겠습니다.

메모리 구조 기본

1. 주소 공간 (Address Space)

• 물리 주소: 실제 메모리(RAM) 상의 위치.
• 논리 주소(가상 주소): CPU와 프로그램이 인식하는 주소. OS가 MMU를 통해 물리 주소로 변환.
• 이를 통해 여러 프로세스가 동시에 실행 가능.

2. 사용자 영역 vs 커널 영역

• 사용자 영역: 일반 프로그램 실행 공간.
• 커널 영역: OS 핵심 기능(시스템 콜, 드라이버 등)이 동작하는 공간.
• 보호 모드로 실행되어 안정성을 보장.
• 중요한 운영체제 코드를 사용자 프로그램이 손상시키는 것을 방지

3. 프로세스 메모리 구조

• 코드(Code) 영역: 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 공간입니다. 읽기 전용입니다.
• 데이터(Data) 영역: 전역 변수와 정적(static) 변수가 저장됩니다. 프로그램 시작과 함께 할당되고 종료 시 소멸됩니다.
• 힙(Heap) 영역: 프로그래머가 동적으로 할당하는 메모리 공간입니다. (예: C의 malloc(), Java의 new). 낮은 주소에서 높은 주소 방향으로 할당됩니다.
• 스택(Stack) 영역: 함수 호출 시 생성되는 지역 변수, 매개변수, 리턴 주소 등이 저장됩니다. 높은 주소에서 낮은 주소 방향으로 할당됩니다.

---

운영체제 레벨의 메모리 관리

1. 메모리 할당 방식

연속 메모리 할당(Contiguous Allocation)

프로세스를 메모리의 연속적인 공간에 통째로 할당하는 방식입니다.

• 고정 분할 방식: 메모리를 일정 크기 블록으로 나눔 → 내부 단편화 발생.
• 가변 분할 방식: 프로세스 크기에 따라 동적으로 분할 → 외부 단편화 발생.

비연속 메모리 할당(Non-contiguous Allocation)

하나의 프로세스를 물리 메모리의 여러 분산된 영역에 나누어 할당하는 방식입니다. 연속 메모리 할당의 단편화 문제를 해결하기 위해 고안되었습니다.

• 대표 방식: 페이징(Paging), 세그멘테이션(Segmentation)

내부 단편화
프로세스가 분할된 공간보다 작을 경우, 남는 공간이 발생하는 경우

외부 단편화
프로세스가 종료되어 메모리를 반납하면 작은 빈 공간들이 생기는데, 이 공간들이 너무 작아서 다른 프로세스를 할당하지 못하는 경우

---

2. 페이징 (Paging)

• 개념
  • 메모리를 고정 크기 블록(프레임)으로 나누고, 프로세스를 같은 크기의 페이지로 나눠 저장.
  • 논리 주소 = (페이지 번호, 오프셋)
  • 물리 주소 = (프레임 번호, 오프셋)
• 구조 요소
  • 페이지(Page): 프로세스의 단위.
  • 프레임(Frame): 물리 메모리의 단위.
  • 페이지 테이블: 페이지 번호 → 프레임 번호 매핑.
  • 다단계 페이지 테이블: 큰 주소 공간을 효율적으로 관리. (ex. 2-level, 3-level)
  • TLB (Translation Lookaside Buffer): 주소 변환 캐시 → 페이지 테이블 접근 속도 개선.
• 장점: 외부 단편화 없음.
• 단점: 내부 단편화 존재, 페이지 테이블 관리 비용 발생.

---

3. 세그멘테이션 (Segmentation)

• 개념
  • 메모리를 논리적 단위(코드, 함수, 데이터 등)로 나누어 관리.
  • 각 세그먼트는 크기가 가변적.
  • 논리 주소 = (세그먼트 번호, 오프셋).
• 구조 요소
  • 세그먼트 테이블: (base, limit) 값 저장.
    • base: 세그먼트 시작 주소.
    • limit: 세그먼트 길이.
• 장점: 프로그램의 논리 구조와 메모리 관리가 잘 매칭됨.
• 단점: 외부 단편화 문제 발생.

---

4. 가상 메모리 (Virtual Memory)

• 개념: 프로세스가 실제 물리 메모리보다 큰 주소 공간을 사용할 수 있도록 하는 기술.
• 요구 페이징(Demand Paging)
  • 실제로 필요할 때만 페이지를 메모리에 로드.
  • page fault 발생 시 디스크에서 불러옴.
• 페이지 교체 알고리즘 (자세한 건 3번에서 다룸)
  • 페이지 부재(page fault) 시 어떤 페이지를 내보낼지 결정.
• 스래싱(Thrashing)
  • 페이지 교체가 너무 잦아 CPU보다 디스크 I/O에 시간이 소모되는 현상.
  • 해결: 작업 집합(Working Set) 모델 사용 → 자주 쓰는 페이지는 반드시 메모리에 유지.

---

페이지 교체 알고리즘 (자세히 정리)

프로세스 실행 중 page fault 발생 시, 메모리에 빈 프레임이 없으면 기존 페이지를 내보내야 함. 이때 사용하는 정책이 페이지 교체 알고리즘.

1. FIFO (First-In First-Out)

• 원리: 가장 먼저 들어온 페이지를 교체.
• 장점: 구현 단순, 큐 구조로 관리.
• 단점: 오래 있었지만 자주 사용하는 페이지가 교체될 수 있음 → Belady’s Anomaly 발생 가능 (프레임 수가 늘어나도 page fault가 줄지 않는 경우).

---

2. LRU (Least Recently Used)

• 원리: 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체.
• 장점: 실제 사용 패턴과 유사 → 성능 우수.
• 단점: 시간/공간 비용이 큼 (최근 사용 내역을 기록해야 함).
  • 구현 방식: 스택, 카운터, 참조 비트 등.

---

3. LFU (Least Frequently Used)

• 원리: 참조 횟수가 가장 적은 페이지 교체.
• 장점: 자주 쓰이는 페이지는 보호됨.
• 단점:
  • 최근 급격히 많이 쓰이던 페이지도 과거 참조 횟수가 낮으면 교체될 수 있음.
  • 구현 복잡, 관리 비용 높음.

---

✅ 비교 요약

• FIFO: 단순하지만 비효율 가능.
• LRU: 현실적인 접근, 성능 우수.
• LFU: 특정 패턴에서 효율적이지만 구현 복잡.