| 순서 | 학습 주제 | 핵심 질문 |
|---|---|---|
| ① | 메모리 계층 구조 | CPU~디스크까지 어떤 계층이 있는가? |
| ② | 캐시 메모리 원리 | CPU는 왜 캐시가 필요한가? |
| ③ | 캐시 교체와 적중률 | 캐시 효율은 어떻게 평가되는가? |
| ④ | 프로세스 메모리 구조 | 프로세스가 메모리를 어떻게 사용하는가? |
| ⑤ | 가상 메모리 구조 | 논리 주소는 어떻게 물리 주소로 변환되는가? |
| ⑥ | 페이징, TLB, 스왑 | 가상 메모리는 성능을 어떻게 유지하는가? |
| ⑦ | 캐시 vs 가상 메모리 통합 | 두 시스템은 어떤 관계인가? |
1. 메모리
프로세스가 메모리를 어떻게 사용하는가 → OS가 이를 어떻게 효율적으로 관리하는가
1-1. 메모리 계층 구조
CPU~디스크까지 어떤 계층이 있는가?
| 계층 | 구성요소 | 관리 주체 | 속도 | 용량 | 주요 구성요소 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 레지스터(Register) | CPU 하드웨어 | 가장 빠름 | 매우 작음 | CPU 내부 레지스터 |
| 2 | 캐시(Cache) | CPU 하드웨어 | 빠름 | 작음 | L1, L2, L3 캐시 |
| 3 | 메인 메모리(Main Memory, RAM) | 운영체제(OS) | 중간 | 중간 | DRAM (Dynamic RAM) |
| 4 | 보조기억장치(Secondary Storage) | 운영체제(OS) / | |||
| 파일 시스템 | 느림 | 큼 | SSD, HDD | ||
| 5 | 보관 장치(Backup Storage) | 사용자 / 서버 | 가장 느림 | 매우 큼 | 외장 드라이브, 클라우드, 테이프 등 |
- 캐시메모리: CPU ↔ 메인 메모리 간 최적화
- 가상 메모리: 메인 메모리 ↔ 디스크 간 최적화
1-2. 지역성의 원리 (Principle of Locality)
모든 메모리 관리 기법의 핵심 전제
CPU가 데이터를 접근할 때 특정 영역을 집중적으로 접근하는 경향
- 시간적 지역성: 최근에 사용된 데이터는 곧 다시 사용될 가능성이 높음
- 공간적 지역성: 현재 참조된 주소와 가까운 주소의 내용이 곧 참조될 가능성이 높음
2. 캐시 메모리 (Cache Memory)
CPU는 왜 캐시가 필요한가? → CPU 속도 vs RAM 속도의 차이 (메모리 병목 문제)
CPU의 메모리 접근 속도를 보완하기 위한 하드웨어적 메모리 관리 기법
OS가 직접 개입하지 않으며, CPU와 MMU 수준에서 관리됨
2-1. 기본 동작
- 캐시 라인(Cache Line): 캐시가 데이터를 저장하는 최소 단위
- Cache Hit (적중) / Miss (실패): 데이터가 캐시에 있을 때와 없을 때의 처리
2-2. 주소 매핑 기법
데이터가 RAM에서 캐시로 올라올 때 어느 위치에 저장될지 결정하는 방법
- 직접 매핑 (Direct Mapping): 가장 단순하지만 충돌(Conflict Miss)이 자주 발생합니다.
- 완전 연관 매핑 (Fully Associative Mapping): 충돌은 적지만 비용이 높고 탐색이 느립니다.
- 집합 연관 매핑 (Set-Associative Mapping): 두 방식의 절충안이며 현대 시스템에서 주로 사용됩니다.
1-2. 메인 메모리 & 프로세스 주소 공간
RAM이 어떻게 사용되는가?
- 프로그램 실행 시 Code / Data / Heap / Stack 구조로 메모리 배치
- 프로세스마다 독립된 주소 공간을 가짐
- 논리 주소(Logical)와 물리 주소(Physical)의 구분 등장
- 여기서 OS는 논리 주소 → 물리 주소 매핑을 관리해야 함
➡ 이 논리 주소 매핑을 효율적으로 관리하기 위한 기술이 가상 메모리
논리 주소 vs 물리 주소
- 논리 주소(Logical Address): CPU가 생성하는 주소 (가상 주소, Virtual Address)
- 물리 주소(Physical Address): 실제 RAM 상의 주소
운영체제는 논리 주소 → 물리 주소 변환을 통해 프로세스마다 독립적인 주소 공간을 제공하며, 이것이
가상 메모리 시스템의 핵심 동작 원리
MMU (Memory Management Unit)
MMU는 CPU 안에 내장된 하드웨어로, 주소 변환(Address Translation) 을 수행함
- 논리 주소를 물리 주소로 변환
- 페이지 테이블(Page Table) 참조
- 접근 권한 체크(읽기/쓰기/실행 여부)
- 캐시 및 TLB 관리
주소 공간의 구조
프로세스가 실행될 때, 운영체제는 프로세스마다 독립적은 주소공간을 제공함
주소공간은 일반적으로 다음 4개의 영역으로 구성됨
| 영역 | 설명 | 예시 |
|---|---|---|
| 코드(Code) | 실행 명령어 저장 | 함수, 제어문 |
| 데이터(Data) | 전역 변수, static 변수 | int a = 10; |
| 힙(Heap) | 동적 메모리 할당 공간 | malloc(), new |
| 스택(Stack) | 함수 호출, 지역 변수 저장 | 함수 매개변수, 지역 변수 |
- 코드, 데이터는 고정 크기
- 힙, 스택은 실행 중 동적으로 변함
메모리 바인딩
주소를 결정하는 시점에 따라 3가지로 구분됨
| 바인딩 시점 | 설명 | 특징 |
|---|---|---|
| Compile Time | 실행 전에 절대 주소로 결정 | 주소 고정, 유연성 낮음 |
| Load Time | 프로그램 로드 시 주소 결정 | 재배치 가능 |
| Run Time | 실행 중 동적으로 주소 변환 | 가상 메모리 필요, 가장 유연함 |
3. 가상 메모리 (Virtual Memory)
메모리 용량을 확장하고, 프로세스 간 메모리 독립성을 보장하는 OS 관리 기법
왜 필요한가? 물리적 메모리 한계 극복, 메모리 보호, 다중 프로그래밍 효율성 증대
- 물리적으로 전재하지 않는 메모리를 마치 존재하는 것처럼 사용 → 셀제 RAM보다 큰 공간을 사용하는 프로그램도 문제없이 실행할 수 있도록 하는 논리적 메모리 확장 기법
- 프로세스마다 독립된 논리적 주소 공간을 제공하고, 필요한 데이터만 실제 물리 메모리(RAM)에 적재
[주소 공간 구조]
| 구성요소 | 설명 |
|---|---|
| 가상 주소(Virtual Address) | 프로세스가 바라보는 주소 |
| 물리 주소(Physical Address) | 실제 RAM 상의 주소 |
| MMU (Memory Management Unit) | 주소 변환을 수행하는 하드웨어 장치 |
| 페이지 테이블(Page Table) | 가상 주소 → 물리 주소 매핑 정보 저장 |
프로세스는 OS로부터 가상 주소 공간(Virtual Address Space)을 할당받는데
이 가상 주소는 실제 물리 주소로 직접 연결되지 않고,
MMU(Memory Management Unit)가 페이지 테이블(Page Table)을 통해 변환(mapping)
3-1. 기본 동작: 페이징 기법 (Paging)
가상 메모리는 일반적으로 페이징 기법을 사용함
- 가상 메모리와 물리 메모리를 같은 크기의 블록 단위로 나눔
- 가상 메모리의 단위 → 페이지(Page)
- 물리 메모리의 단위 → 프레임(Frame)
- 페이지와 프레임은 1:1로 매핑됨
| 용어 | 의미 |
|---|---|
| 페이지(Page) | 가상 메모리의 고정 크기 블록 (예: 4KB) |
| 프레임(Frame) | 물리 메모리의 고정 크기 블록 (예: 4KB) |
| 페이지 폴트(Page Fault) | 접근하려는 페이지가 메모리에 없을 때 발생 |
| 스왑(Swap) | 디스크에서 페이지를 불러오거나 내보내는 작업 |
- 프로세스가 가상 주소에 접근
- MMU가 페이지 테이블을 통해 해당 페이지가 물리 메모리에 있는지 확인
- 있으면 (Page Hit) → 바로 접근
- 없으면 (Page Fault) → 디스크에서 해당 페이지를 불러와 RAM의 빈 프레임에 적재
- 페이지 교체가 필요할 경우 → 페이지 교체 알고리즘으로 결정 (LRU, FIFO 등)
⇒ 즉, OS는 필요할 때만 디스크에서 데이터를 메모리에 수요에 따라(Demand Paging)
4. 페이징 & 세그멘테이션
페이징과 세그멘테이션 모두 프로세스의 메모리 공간을 비연속적으로 물리 메모리에 할당하여 가상 메모리를 구현하는 기법
두 기법의 주요 차이점은 메모리를 나누는 단위와 기준에 있음
| 구분 | 페이징 (Paging) | 세그멘테이션 (Segmentation) |
|---|---|---|
| 분할 단위 | 고정 크기의 페이지(Page) | 가변 크기의 세그먼트(Segment) |
| 분할 기준 | 물리적 주소 공간의 효율적 관리 | 논리적 의미 단위 (코드, 데이터, 힙, 스택, 함수 등) |
| 주소 구조 | <페이지 번호, 오프셋> | <세그먼트 번호, 오프셋> |
| 주체 | 운영체제와 하드웨어에 의해 투명하게 관리 (사용자에게 숨김) | 사용자/컴파일러의 논리적 구조를 반영 (사용자에게 노출) |
| 주요 단편화 | 내부 단편화 (Internal Fragmentation) | 외부 단편화 (External Fragmentation) |
| 메모리 공유/보호 | 페이지 단위로 세밀한 보호 어려움 | 논리적 단위이므로 공유 및 보호가 용이함 |
1) 페이징 (Paging)
메모리를 고정된 크기의 조각(Page/ Frame)으로 나누어 관리하여 외부 단편화를 완전히 제거함
대신 페이지 크기 때문에 발생하는 내부 단편화가 존재함
장점 (Pros)
- 외부 단편화 제거: 메모리가 고정된 크기의 프레임 단위로 관리되어 외부 단편화가 발생하지 않음
- 단순한 메모리 관리: 할당/해제가 프레임 단위로 이루어져 빈 공간 관리가 단순함
- 프로그래머 투명성: 주소 변환이 OS와 MMU에 의해 처리되어 프로그래머는 신경 쓸 필요가 없음
단점 (Cons)
- 내부 단편화 발생: 프로세스 크기가 페이지 크기의 정수배가 아닐 경우, 마지막 페이지에서 사용되지 않는 공간이 발생함
- 페이지 테이블 오버헤드: 모든 프로세스가 페이지 테이블을 유지해야 하므로, 테이블 저장 공간 및 크기 관리 비용이 발생함
- 느린 주소 변환: 물리 주소 변환을 위해 최소 두 번의 메모리 접근이 필요하여 속도가 느려짐 (TLB를 통해 완화됨)
2) 세그멘테이션 (Segmentation)
프로그램의 코드, 데이터, 스택 등 의미 있는 논리적 단위(Segment)로 나누어 관리함
사용자 관점의 메모리 구조를 반영하지만, 크기가 가변적이라 외부 단편화 문제가 발생할 수 있음
장점 (Pros)
- 내부 단편화 최소화/제거: 세그먼트 크기가 논리적 크기와 정확히 일치하여 내부 단편화가 발생하지 않음
- 효율적인 보호 및 공유: 코드/데이터 등 논리적 단위로 분할되어 공유 및 접근 권한 설정이 용이함
- 프로그래머 편의성: 프로그램 구조에 따라 메모리를 구성하므로 디버깅 및 관리가 직관적임
단점 (Cons)
- 외부 단편화 발생: 세그먼트 크기가 가변적이어서, 메모리 할당/해제 시 크기가 다른 빈 공간이 발생함
- 복잡한 메모리 관리: 외부 단편화 해결을 위해 메모리 압축(Compaction) 등 복잡한 기법이 요구됨
- 가변적인 크기 관리: 가변적인 세그먼트 크기에 맞춰 적합한 빈 공간을 찾는 최적화 과정이 복잡함
페이지 교체 알고리즘
프로세스가 접근하려는 페이지가 물리 메모리(RAM)에 없을 때 페이지 폴트(Page Fault) 발생
→ 해당 페이지를 디스크에서 물리 메모리로 가져와야 하는데
물리 메모리의 모든 프레임이 이미 사용중인 경우, OS는 현재 메모리에 있는 페이지 중 하나를 희생시켜 공간을 확보함 (Swap Out)
이 때 어떤 페이지를 희생시킬것인가를 결정하는 규칙이 페이지 교체 알고리즘
- 목표: 페이지 폴트 발생 확률의 최소화
가장 오랫동안 사용되지 않을 것으로 예상되는 페이지를 교체 대상으로 선택해야 함
주요 알고리즘
페이지 교체 알고리즘은 대체로 지역성의 원리에 기반하여 작동함
| 알고리즘 | 개념 |
|---|---|
| FIFO | 가장 오래된 페이지 제거 |
| LRU (Least Recently Used) | 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지 제거 |
| OPT (Optimal) | 앞으로 가장 늦게 참조될 페이지 제거 (이론적 최적) |
| Clock | LRU 근사 알고리즘 (효율성과 단순함의 절충) |
1) OPT (Optimal, 최적) 알고리즘
- 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체함
- 페이지 폴트율이 가장 낮음
다른 알고리즘 성능 평가의 기준(Benchmark)이 됨 - [+] 이론적으로 최상의 성능을 보장함
- [-] CPU가 미래 접근 순서를 미리 알 수 없어 실제 구현은 불가능함
2) FIFO (First-In, First-Out, 선입선출)
- 물리 메모리에 가장 먼저 들어온(가장 오래된) 페이지를 교체함
- 구현이 매우 간단함
페이지 유입 시간만 추적함 - [+] 단순한 구현
- [-] 오래되었어도 자주 사용되는 페이지를 교체할 수 있어 효율이 나쁨
’벨라디의 모순(Belady's Anomaly)' 현상 발생 가능성이 있음
3) LRU (Least Recently Used, 최소 최근 사용)
- 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체함 (시간적 지역성 기반 예측)
- OPT 다음으로 좋은 성능을 보임. 가장 이상적인 실용 알고리즘으로 평가됨
- [+] 지역성의 원리를 잘 반영하여 페이지 폴트율이 낮음
- [-]모든 페이지의 최근 사용 시간 기록에 필요한 하드웨어적 오버헤드가 매우 큼
4) LFU (Least Frequently Used, 최소 빈도 사용)
- 물리 메모리 페이지 중 가장 적게 사용된 횟수를 가진 페이지를 교체함
- 페이지의 사용 빈도에 초점을 맞춤
- [+] 오랫동안 메모리에 있었더라도 자주 사용된 페이지를 보호함
- [-] 초기에 집중 사용 후 현재는 사용되지 않는 페이지가 계속 메모리에 남는 문제 발생 가능함
