개인적으로 운영체제에서 제일 중요하다고 생각하는 부분입니다.

스와핑

메모리에 적재된 프로세스들 중, 현재 실행되지 않는 프로세스가 있을 수 있는데, 이들을 임시로 보조기억장치로 쫒아내고, 빈 공간에 또 다른 프로세스를 적재하는 방식

• 스왑 영역 : 프로세스들이 쫒겨나서 가는 보조기억장치의 일부 영역
• 스왑 아웃 : 실행되지 않는 프로세스가 메모리에서 스왑 영역으로 옮겨지는 것
• 스왑 인 : 스왑 영역에 있던 프로세스가 다시 메모리오 옮겨오는 것

메모리 할당

메모리 공간에 프로세스를 연속적으로 할당하는 방식

• 최초 적합 : 메모리를 순서대로 검색하다가 적재할 수 있는 공간을 발견하면 그 공간에 배치
• 최적 적합 : 빈 공간을 모두 탐색 후, 가능한 가장 작은 공간에 배치
• 최악 적합 : 빈 공간을 모두 탐색 후, 가능한 가장 큰 공간에 배치

프로세스들이 메모리에 연속적으로 할당되는 환경에서 실행과 종료를 반복하며 메모리 사이에 빈 공간들이 생기는 현상을 외부 단편화 라고 합니다.

이를 해결하기 위해 흩어져 있는 빈 공간을 하나로 압축할 수도 있는데, 많은 오버헤드를 야기합니다.

가상 메모리

실행하고자 하는 프로그램을 일부만 메모리에 적재하여 실제 물리 메모리 크기보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있게 하는 기술

크게 페이징과 세그멘테이션 기법이 있습니다.

페이징 기법

프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정한 단위로 자르고, 메모리 물리 주소 공간을 프레임이라는 페이지와 동일한 크기의 일정한 단위로 자른 뒤 페이지를 프레임에 할당하는 기법.

외부 단편화가 발생하지 않지만, 내부 단편화가 발생할 수 있습니다.

페이지 테이블

프로세스가 물리 주소(실제 메모리 내의 주소)에 불연속적으로 배치되더라도 논리 주소(CPU가 바라보는 주소)에는 연속적으로 배치되도록 페이지 테이블을 이용

프로세스마다 메모리에 각자의 프로세스 테이블을 가지고 있고, CPU 내의 페이지 테이블 베이스 레지스터(FTBR)는 각 프로세스 페이지 테이블이 적재된 주소를 가리키고 있어 CPU가 프레임을 알 수 있음

메모리 접근을 2번 하는 문제 때문에 CPU 곁에(MMU 내에) TLB(Translation Lookaside Buffer)라는 페이지 테이블의 캐시 메모리를 둡니다.

페이징에서의 주소 변환

기본적으로 모든 논리 주소가 페이지 번호와 변위로 이루어져 있음

예) <5,2>에 접근 -> 5번 페이지가 1번 프레임에 있고 1번 프레임이 8번지부터 시작하면 10(8+2)번지 접근

페이지 테이블 엔트리

페이지 번호, 프레임 번호 외에도 다른 정보들도 있음

• 유효 비트 : 페이지가 메모리에 있으면 1, 보조기억장치면 0 - 0에 접근하려고 하면 페이지 폴트 예외 발생
• 보호 비트 : r(읽기), w(쓰기), x(실행) 권한을 나타냄
• 참조 비트 : 적재 이후 읽거나 쓴 적 있는 페이지는 1 아니면 0
• 수정 비트 : 변경된 적 있는 페이지는 1 아니면 0 - 페이지 아웃될 때 보조기억장치에 쓰기 작업 여부 판단

페이지 교체 알고리즘

요구 페이징은 프로세스를 메모리에 적재할 때 필요한 페이지만을 메모리에 적재하는 기법입니다.

요구된 페이지가 현재 메모리에 없을 경우(유효 비트가 1일경우) 페이지 폴트가 발생합니다. CPU는 해당 페이지를 메모리로 적재하고 유효 비트를 1로 설정합니다.

요구 페이징 시스템이 안정적으로 작동하려면 페이지 교체와 프레임 할당 문제를 해결해야 합니다.

1. FIFO 페이지 교체 알고리즘

• 메모리에 가장 먼저 올라온 페이지부터 내쫒는 방식

• 아이디어와 구현이 간단하지만, 프로그램 실행 내내 사용될 페이지를 내쫒을 수도 있음

2. 최적 페이지 교체 알고리즘

• 앞으로의 사용 빈도가 가장 낮은 페이지를 교체하는 알고리즘으로 가장 낮은 페이지 폴트율을 보장함

• 예측이 어려워 구현이 어려움. 주로 다른 페이지 교체 알고리즘의 이론상 성능을 평가하기 위한 목적으로 사용

3. LRU 페이지 교체 알고리즘

• Least Recently Used - 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체

스래싱과 프레임 할당

프로세스가 사용할 수 있는 프레임 수가 적어도 페이지 폴트는 자주 발생합니다. 프로세스가 실제 실행되는 시간보다 페이징에 더 많은 시간을 소요하여 성능이 저해되는 문제를 스래싱이라고 합니다.

스래싱이 발생하는 근본적인 원인은 각 프로세스가 필요로 하는 최소한의 프레임 수가 보장되지 않기 때문입니다. 운영체제는 프로세스들이 무리 없이 실행하기 위한 최소한의 프레임 수를 파악, 할당해줄 수 있어야 합니다.

프레임 할당 방식

정적 할당 방식

• 균등 할당 : 모든 프로세스에 균등하게 프레임을 제공
• 비례 할당 : 프로세스의 크기에 비례해 할당

동적 할당 방식 - 프로세스의 실행을 보고 할당 프레임 수를 결정

• 작업 집합 모델 : 프로세스가 일정 기간 참조한 페이지 집합을 참고 - 3초에 7개의 페이지를 집중적으로 참조했다면 그 순간에 7개 할당
• 페이지 폴트 빈도 : 페이지 폴트율이 높으면 너무 적은 프레임을 갖고있기 때문에 더 할당하고 폴트율이 낮으면 그 반대