📌 Memory Management 1

📖 01. Logical vs Physical Address

• 메모리라는 것은 주소를 통해 접근하는 매체이다.

• 메모리에는 주소가 매겨지는데 두가지로 나뉜다.
  1. 논리적인 주소
  2. 물리적인 주소

• 프로그램이 형성되면 독자적인 주소공간이 생성된다.
  -> 프로그램마다 가지고 있는 주소를 Logical address(=virtual address)라고 부른다.
  -> 0번지부터 시작하는 논리주소를 각자 가지고 있다.

• 물리적인 주소라는 것은 메모리에 실제 올라가는 위치를 의미함.
  -> 아래쪽에는 커널이 상주해있고 위에는 여러 프로그램들이 섞여서 들어가 있다.

• 프로세스마다 0번지부터 시작하는 독자적인 주소가 있지만 실행이 되려면 물리적인 메모리 어딘가에 올라가게 되고 주소가 바뀐다.
  -> 주소 바인딩이라고 한다.

• 주소 바인딩 : 프로그램이 물리적인 메모리 어디에 올라갈 지 그 주소를 결정하는 것

• 그럼 주소는 언제 결정되느냐?
  -> 논리적인 주소가 물리적인 주소로 언제 결정되느냐?
  -> 3가지가 존재한다.

• Symbolic Address : 프로그래밍을 할 때 숫자주소를 가지고 프로그래밍을 하지 않는다.
  -> 특정 메모리 변수에 값을 저장하지만 메모리 몇번지에 저장하라고 하지 않고 변수를 선언하고 그 변수에 얼마를 저장하라는 식으로 프로그래밍 한다.
  -> 함수를 호출 할 때 몇번지로 점프해라라고 하지 않고 함수에 이름을 줘서 그 이름으로 함수를 호출한다.

• 프로그래머는 숫자로 프로그래밍하지 않고 Symbol로 프로그래밍한다.
  -> 이를 Symbolic address라고 한다.

• 프로그래머는 Symbolic Address로 프로그래밍을 하고 컴파일단계에서 숫자로 된 주소로 바뀌게 된다.
  -> 0번지부터 시작하는 독자적인 공간으로 바뀌게 된다.

• 이게 실행되게 하려면 물리적인 메모리에 변환되어 올라가야 하기 때문에 주소를 결정해야 한다. (주소 바인딩)

• 그럼 이 주소변환이 언제 이루어질까?

📖 02. 주소 바인딩 (Address Binding)

• 주소변환이 컴파일 단계에서 이루어지는 것을 Compile time binding이라고 한다.

• 실행 시작 될 때 주소변환이 이루어지면 Load time binding이라고 한다.

• 프로그램이 시작된 이후에도 실행하다가 중간에 물리적인 주소가 바뀔 수 있는 것을 Execution time binding (=Run time binding)이라고 한다.

• 맨 왼쪽에 소스코드가 존재한다.
  -> 프로그램을 만들었고 이 안에는 Symbolic Address로 주소가 표현되어 있다.

• 컴파일이 되서 실행파일이 만들어지면 Symbolic Add가 숫자로 된 주소로 바뀌게 된다.
  -> 프로그램 마다 가지는 주소이기 때문에 Logical add이다.

• 소스코드에 있는 각각의 문자들이 0, 10, 20,... 번지로 바뀌게 된다.

• 실행이 되려면 물리적인 메모리에 올라가야 하고 물리적인 메모리적인 메모리에 주소가 결정되는 것을 주소 바인딩이라고 한다.
  -> 그 시점은 3가지가 존재한다.

1. Compile time binding
   -> 컴파일 시점에 이미 물리적인 메모리 주소가 결정이 되는 것이다.
   -> 따라서 이미 Logical에서 결정난 메모리로 물리적 메모리에 그대로 올려야 한다.
   -> 다른 부분이 비어있다고 하더라도 이미 결정된 주소로 맵핑시켜야 한다.
   -> 비효율적이다.
   -> 현재는 잘 사용하지 않는다.
2. Load time binding
   -> 프로그램이 시작되서 메모리에 올라갈 때 물리적인 메모리 주소가 결정된다.
   -> 컴파일 단계에서는 논리적인 메모리 주소만 결정이 된 상태이다.
   -> 실행시키게 되면 물리적인 메모리에 비어있는 공간에(500부터)올린다.
3. Run time binding
   -> Load time binding처럼 실행시에 물리적인 메모리에 올라가는 것은 똑같다.
   -> 이 주소가 실행도중에 바뀔 수 있다.
   -> 메모리에서 쫓겨 날 수 있고 나중에 다시 메모리에 올릴 때 300번에 데이터가 있다면 비어있는 700번에 올릴 수 있도록 한다.

• Compile time binding에 의해 만들어진 코드를 절대 코드(absolute code)라고 부른다.
  -> 절대코드의 메모리 위치를 바꾸고 싶다면 컴파일을 다시 해야한다.

• Load time binding에 의해 만들어진 코드를 재배치가능코드(relocatable code)라고 한다.
  -> 항상 특정위치에 올라가야 하는 것이 아니라 비어있는 위치라면 언제든지 올라갈 수 있는 코드를 의미함.
  -> 프로그래밍이 시작되면 물리적 메모리 공간을 바꿀 수 없다.

• Run time binding
  -> 런타임 도중 메모리 공간을 바꿀 수 있다.
  -> CPU가 어떤 메모리주소를 요청할 때 마다 binding을 체크해봐야 한다.
  -> 하드웨어적 지원 필요 (MMU)

• CPU가 바라보는 주소는 어떤 주소일까?
  -> CPU는 하드웨이이기 때문에 Pysical add를 볼 것 같지만 Logical Add를 본다.
  -> 왜 이렇게 될까?
  -> 우리가 소스파일을 컴파일해서 실행파일을 만들게 되면 각각이 instruction인데 CPU가 이를 실행하려면 메모리 20번지, 30번지에 있는 내용을 읽어 드려서 더하는 연산을 해야한다.
  -> 그런데 여기 표시되어있는 것은 Logical Add이다.
  -> 물리적인 메모리에 올라가더라도 컴파일된 코드에 들어가있는 주소는 바꿀 수 없다.
  -> 즉, 물리적인 메모리에 올라가더라도 컴파일 된 코드는 바꿀 수 없다.
  -> CPU가 Add 를 하고 싶은데 그 안에 있는 주소는 Logical Add이다.

• CPU가 매번 메모리 몇번째에 있는 내용을 달라고 하면 그때 주소변환을 해서 물리적인 메모리공간을 찾은 후 그 내용을 읽어서 CPU에 전달을 해야한다.
  -> 그래서 CPU는 Logical Add를 본다고 얘기하는 것이다.

• Run time binding은 그때그때 마다 메모리 공간이 다르기 때문에 주소변환용 하드웨어 지원이 필요하다.
  -> 이 하드웨어를 'MMU'라고 부른다.

📖 03. Memory-Management Unit (MMU)

• 실제로는 필요한 부분만 메모리에 올라간다.
  -> 각각의 코드가 짤려서 산발적으로 올라간다.

• 그러나 지금 공부하는 것은 통째로 올라가는 것을 기준으로 설명한다.

• 주소변환을 할 때 MMU는 register 두개를 통해 변환된다.

• 사용자 프로그램은 logical add만 다룬다.

• 실제 피지컬 add는 볼 수 없고 알 필요도 없다.

📖 04. Dynamic Relocation

• CPU가 메모리 346번지에 있는 내용을 달라고 하면 logical add이므로 주소변환이 필요하다.

• 이 주소변환을 해주는 하드웨어가 MMU이며 가장 간단한 주소변환은 레지스터 두개로 주소변환이 이루어진다.

1. Relocation register(=base register)
2. limit register

• 물리적 메모리에서 해당 instruction을 찾는 방법은 물리적메모리 시작주소 + vitual 메모리에서의 주소
  -> 그 위치에 있는 내용을 CPU에게 전달하면 된다.

• MMU에서 base register에는 메모리의 시작주소를 저장해놓는다.

• limit register은 프로세스 P1의 크기를 담고있다.
  -> 크기를 정해놓는 이유는 만약 이 프로그램이 악의적인 프로그램이라서 본인의 크기가 3000인데도 불구하고 본인의 instruction에서 4000번째 내용을 CPU에게 달라고 할 수 있다.
  -> 이 프로그램은 3000번까지 밖에 없는데 있지도 않은 4000번을 달라고 하여 주소변환을 하면 이 프로그램에 해당하지 않은 메모리에 접근하게 된다.
  -> 주면 안된다.

📖 05. Hardware Support for Address Translation

• CPU가 논리주소를 달라고 요청하면 이 논리주소가 프로그램크기보다 더 큰 논리주소를 요청한 것이 아닌가 비교한다.
  -> 벗어난다면 트랩이 걸리게 된다.
  -> 트랩은 시스템 interrupt이기 때문에 커널이 확인하며 처리한다.
  -> 논리주소가 프로그램크기보다 작다면 시작주소를 더해서 주소변환을 한 후 CPU에 해당 내요을 전달해주면 된다.

📖 06. Some Terminologies

📖 06-1. Dynamic Loading

• Dynamic : 동적, Loading : 메모리에 올리는 것

• 프로그램을 메모리에 올려야 실행이 되는데 동적으로 올린다.
  -> 동적으로 올린다는 것은 해당 루틴이 불려질 때 마다 메모리에 올리는 것을 말한다.

• 프로그램은 방어적일수록 좋은데 그러려면 많이 사용하지 않는 코드들이 존재한다.
  -> 이런 코드들은 메모리에 상주해 있으면 비효율적이기 때문에 동적으로 메모리에 올려 사용하는 것이 좋다.

• 다이나믹 로딩의 개념은 정교하게 알아야 하는 것이 있는데 지금 프로그래밍을 한다고 하면 필요할 때 메모리에 올라가고 필요없으면 내려가는데 이는 다이나믹 로딩이 아니라 운영체제의 페이징 시스템에 의해서 이루어지는 것이다.
  -> 보통 다이나믹 로딩이라 하면 운영체제가 해주는 것이 아니라 프로그래머가 직접하도록 만드는 것을 의미한다.
  -> 그럼 프로그래머가 모두 다이나믹하게 작성하냐?
  -> 그건 아니다. 프로그래머가 쉽게 하도록 OS가 라이브러리를 지원한다.

• 다이나믹 로딩과 구별해서 사용해야하는 용어 Overlays

📖 06-2. Overlays

• Overlays는 초창기 컴퓨터 시스템에서 워낙 메모리가 작기 때문에 프로그램 하나하나를 메모리에 올려두는 것이 불가능했다.
  -> 프로그래머가 프로그램을 메모리에 올려 실행시킬 때는 큰 프로그램을 쪼개서 이번엔 이쪽부분을 올려두고 실행하고 다른 부분이 필요하면 그 부분을 메모리에 올려 실행시키는 등 프로그래머가 수작업으로 코딩을 했다.

• Overlays를 다른말로 Manual Overlay라고 하는데 프로그래머가 수작업으로 한다는 것이다.
  -> 굉장히 불편하고 어려운 프로그래밍이 될 것이다.

• 결과적으로 Overlays는 프로그래머가 코딩을 통해 작업을 하는 것이고 Dynamic Loading도 마찬가지로 코딩을 통해 작업하지만 라이브러리를 사용한다는 차이점이 있다.

📖 06-3. Swapping

• Swapping은 프로세스를 메모리에서 통째로 쫓아내는 것을 의미함.(하드디스크로)
  -> 메모리에서 쫓겨나는 곳을 backing store(=swap area)라고 부른다.

• 쫓겨나서 backing store로 들어가는 것을 swap out이라고 하고 backing store로 쫓겨났던게 나오는 것을 swap in 이라고 한다.

• 중기 스케줄러가 swap out시킬 프로세스를 선정한다.
  -> 그래서 중기 스케줄러를 swapper라고도 부른다.

• 그렇다면 중기 스케줄러는 어떤 프로세스를 메모리에서 쫓아내나?
  -> CPU 우선순위가 낮은 프로세스를 쫓아내는 것이 좋다.

• swapping 시스템이 지원이 되기 위해서는 바인딩과 함께 생각해야한다.
  -> 만약에 compile time binding이나 Load time binding이 사용되고 있다면 swapping에 의해서 쫓겨났다고 다시 돌아올 때 원래 메모리 주소로 돌아와야 한다.
  -> 다른 메모리가 비어있더라도 반드시 원래 메모리 주소로 돌아와야 한다.

• Swapping을 좀 더 효율적으로 사용하기 위해서는 Run time binding이 사용되어야 한다.
  -> 쫓겨났다가 다시 올라올 때 원래 주소가 아닌 다른 위치로 돎길 수 있기 때문이다.

• 메모리에서 프로그램을 통째로 내려놓고 올려놓는 일은 방대한 양이 움직이는 것이다.
  -> 파일 입출려과 다르게 양이 굉장히 많다.
  -> 따라서 디스크에 접근하는 시간이 transfer time(swap되는 양에 비례하는 시간)이다.

• 프로그램이 메모리에서 통째로 쫓겨나는 것을 swapping이라고 한다.
  -> 최근에는 페이징 시스템에서 조각들이 쫓겨나고 올라오는 것도 그 페이지가 swap out, in 됐다고 표현하기도 한다.
  -> 원칙적으로는 주소공간이 전부다 쫓겨나는 것을 의미한다.

📖 06-4. Dynamic Linking

• Linking : 프로그램을 작성한 다음에 보통 컴파일하고 링크에서 실행파일을 만든다.
  -> 링크라는 것은 여러군데 존재하는 컴파일된 파일들을 묶어서 하나의 실행파일을 만드는 과정

• 라이브러리가 내 실행파일 코드에 포함되는 것을 static linking이라고 한다.

• 다이나믹 링킹을 사용하게 되면 프로그램이 실행되다가 라이브러리 호출하는곳에 이르게 되면 그 라이브러리가 어디에 있는지를 찾는다.
  -> 별도의 파일의 형태로 라이브러리가 존재한는데 그 라이브러리가 필요하면 메모리에 올리고 이미 메모리에 올라가 있다면 그 주소로가서 실행한다.

예) Printf함수 라이브러리 코드를 사용해서 프로그램을 만들었다.
-> Printf 라이브러리 코드가 Static linking이 이루어지게 되면 내가만든 실행파일안 Printf가 포함되고 실행된다.
-> 실행시키게 되면 내코드와 라이브러리 코드의 구별없이 프로그램 주소공간안에서 실행된다.
-> 만약 100명이 Printf를 사용하여 프로그래밍을 하고 실행파일로 만든다음 프로그램 100개를 실행시키면 비록 같은 기능을 하는 코드라도 100개의 프로그램 모두 메모리에 올라갈 것이다.

• 다이나믹 링킹은 Printf를 사용하여 프로그래밍을 했는데 Printf함수의 코드가 내 실행파일에 들어가지 않고 그냥 Printf라는 라이브러리가 어딧는지 위치를 찾을 수 있는 코드만 내 프로그램안에 넣는것이다.
  그래서 실행이 되면 100명의 코드가 Printf를 써서 프로그래밍을 했는데 다이나믹 링킹을 사용한다 그럼 프로그래밍이 시행될 때 Printf를 호출하는 지점에 이르면 코드가 없다.
  -> 그래서 코드에 해당하는 파일을 찾아서 그것을 메모리에 올려서 실행한다.
  -> 만약 100이 Printf를 사용해서 다른 사용자에 의해서 Printf의 다이나믹 링킹되는 라이브러리가 메모리에 올라와 있다면 그것을 공유해서 사용할 수 있다.

• 다이나믹 링킹을 해주는 라이브러리를 shared 라이브러리라고 부른다.
  -> 리눅스에서는 shared 오브젝트라고 부른다.
  -> 윈도우에서는 DLL이라고 부른다.

📖 07. Allocation of Physical Memory

• 물리적인 메모리를 어떻게 관리할 것인가?

• 물리적인 메모리는 낮은 주소부분에 운영체제 커널이 항상 상주하고 있다.
  -> 높은 주소영역에는 사용자 프로그램이 올라가게 된다.
  -> 사용자 프로그램이 올라가는 곳을 크게 두가지로 나눌 수 있다
  1. Contiguous allocation
  -> 프로그램이 메모리에 올라갈 때 통째로 올라가는 것을 말함.
  2. Nonontiguous allocation
  -> 프로그램을 구성하는 주소공간을 잘게 쪼개서 일부는 저쪽에 올라가고 일부는 다른쪽에 올라갈 수 있도록 하는 것을 말함.
  -> 현대는 불연속 할당을 사용한고 있다.
  -> 그중에서도 프로그램의 주소공간을 같은 크기의 페이지로 잘라서 페이지 단위로 메모리 여기저기로 올리고 내린다.
  

📖 07-1. Contiguous allocation

• 이 연속할당도 두가지로 나눌 수 있다.

1. 고정분할방식
   -> 프로그램이 들어갈 사용자 메모리 영역을 미리 파티션으로 나누어 놓는 것을 말함.

2. 가변분할방식
   -> 프로그램이 들어갈 사용자 메모리 영역을 미리 나누지 않는 것을 말함.

• 고정 분할 방식에서 미리 분할 4개를 만들어 놓았다.
  -> 같은 크기로 나눌수도 있고 아닐 수도 있다.
  -> 이런상황에서 프로그램A가 실행되면 분할1의 크기와 같다면 분할 1에 올려놓으면 된다.
  -> 그다음에 프로그램B가 실행되서 메모리에 올라가야 하는데 분할2보다 커서 분할 2에 들어갈 수 없다.
  -> 프로그램B는 분할 3번에 들어가게 된다.
  -> 낭비되는 메모리 조각이 생기게 되는데 외부조각, 내부조각으로 나눠서 이야기한다.

• 고정 분할 방식은 분할과 프로그램크기가 달라서 생길 수 있는 문제를 야기함.

• 가변 분할 방식
  -> 프로그램이 실행될 때마다 차곡차곡 올려놓는 것을 말함.
  -> 실행이 되다가 B가 끝나면 공간이 빈공간이 될 것이다.
  -> 이후 D가 실행이 되는데 B가 들어갔던 공간에 들어갈 수 없다
  -> D는 아래쪽으로 들어가게 된다.
  -> 프로그램크기보다 남은 공간이 작기 때문에 사용하지 못한 공간이다.
  -> 외부 조각을 의미한다.

• 외부조각 : 프로그램을 메모리에 올리고 싶은데 올릴려는 프로그램의 크기보다 메모리의 크기가 작아서 사용이 안된다.
  -> 프로그램이 들어갈 수 있는 공간임에도 너무 작아서 사용이 안된 것을 의미함.

• 내부조각 : 프로그램의 크기가 분할 3번보다 작아 남는 조각이 존재한다.
  -> 프로그램B에게 할당이 된 공간이지만 사용은 안되는 공간이다.

• 가용 메모리 공간(Hole) 어디에 집어넣어야 할 것인가?
  -> 크게 3가지 존재

• Best-fit : 홀을 모두 찾아본 다음에 홀의 크기와 가장 잘 맞는 프로그램을 올려놓는 것을 의미함.
  -> 홀들을 탐색하는 시간 부담이 있다.

• 중간중간에 작은 홀들이 생기게 될텐데 이런 홀들을 묶어서 즉, 사용중인 메모리공간을 한곳으로 밀어놓을 수 있을 것이다.
  -> 이를 compaction이라고 한다.

• 실행중인 프로그램을 한 곳으로 미루는 작업이기 때문에 호락호락한 방법은 아니다.
  -> 비용이 많이 듬.
  -> 바인딩과 관련된 문제이다.
  -> 아무때나 할 수 있는 것은 아니고 런타임 바인딩이 지원되어야 사용 할 수 있다.
  -> 한 곳으로 미뤄놓는것도 좋겠지만 최소한의 프로그램 이동으로 큰 홀을 만드는 것이 더 효율적이다.

📖 07-2. Noncontiguous allocation

• 불연속 할당 기법은 크게 페이징 기법과 세그맨테이션 기법으로 나눌 수 있다.

• 페이징 기법 : 프로그램을 구성하는 주소공간을 같은 크기의 페이지로 자르는 것이다.
  -> 같은 크기로 잘라서 페이지 단위로 물리적인 메모리에 올려놓거나 backing store에 내려놓거나.
  -> 프로그램을 구성하는 주소공간을 같은 크기의 페이지로 자른 것처럼 물리적인 메모리에 사용자 프로그램이 들어갈 수 있는 페이지 크기로 미리 자르는데 이를 페이징프레임이라고 한다.
  -> 이런 페이징 기법을 사용하면 홀들의 크기가 균일하지 않아서 어디다가 집어넣야 할지 혹은 한곳으로 미뤄놓아야 하는 문제가 없어진다.
  -> 비어있는 공간이면 페이지 크기과 같기 때문에 페이지 크기의 프로그램은 어디든 들어갈 수 있다.
  -> 불연속 할당을 사용하게 되면 MMU에 의해서 주소변환을 할 때 단지 시작주소를 더해서 주소변환을 하는 것이 아니고 잘려진 각각의 페이지가 물리적인 메모리 어디에 올라가 있는지 확인해봐야고 즉, 주소변환을 페이지마다 해야하기 때문에 좀 더 복잡해진다.

• Segmentation 기법 : 프로그램의 주소공간을 같은 크기로 자르는 것이 아니라 의미있는 단위로 자르는 것을 의미함.
  -> 프로그램의 주소공간이라는 것은 코드, 데이터, 스택 크게 3가지 의미있는 공간으로 구성된다.
  -> Segmentation 기법은 코드, 데이터, 스택Segmentation로 잘라서 각각의 세그먼트를 필요시에 물리적인 메모리 다른위치에 올려놓는 기법
  -> 3가지 뿐만 아니라 더 잘게 자를 수 있다.
  -> 함수를 세그먼트로 만들 수 있다.
  -> 이 역시 세그먼트 단위로 주소 변환을 해주어야 한다.
  -> 세그먼트는 의미 단위로 자른 것이기 때문에 크기가 균일하지는 않는다.
  -> 프로그램을 올릴 때 균일하지 않기 때문에 Dynamic Storage-Allocation Problem문제가 발생할 수 있다.

• contiguous, Noncontiguous 방식은 통째로 올리지 않고 잘라서 올린다.
  -> Noncontiguous는 산발적으로 올릴 수 있다.
  

📖 08. Paging

[출처] 반효경 교수님 강의