[운영체제] 물리 메모리 관리

• 메모리 관리의 복잡성과 이중성:
• 메모리 관리자의 역할:
• 논리 주소와 물리 주소의 의미 및 변환 과정:
• 메모리 오버레이:
• 스왑 기법:
• 메모리 관리 방식인 가변 분할 방식과 고정 분할 방식:
• 버디 시스템:

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메모리 관리

메모리 주소

• 1Byte씩 나눠진 메모리의 각 영역의 구분자이다.
• 보통 0번지부터 시작한다.
• CPU가 메모리 내용을 가져오거나 연산 결과를 메모리에 저장하기 위해 사용한다.

메모리 관리의 복잡성

일괄 처리 시스템: 초기의 운영체제에서 사용된 일정 기간 동안 데이터를 모아서 처리하는 방식.

• 일괄 처리 시스템: 도마 1개에 재료 1개
  -> 관리가 단순하다.

• 시분할 시스템: 도마 1개에 여러 개 재료
  -> 시분할 시스템에서는 여러 재료가 올라오기 때문에 메모리 관리가 중요하다.

메모리 관리의 이중성

• 프로세스: 메모리를 독차지 하려 한다.

• 메모리 관리자: 효율적인 관리를 원한다.

메모리 공간을 나누어 프로세스가 주어진 영역만 독차지하도록 한다.

컴파일러

• 특징 : 소스코드를 기계어로 번역한 후 한꺼번에 실행한다.
• c, java 등

java는 원래 인터프리터 언어로 알려져 있지만
소스코드 -> 기계어 -> JVM -> HardWare 과정 중
소스코드 -> 기계어 부분은 컴파일러가 1차 번역을 하고,
JVM -> HardWare 과정에서 인터프리터로 2차 번역을 한다.

• 단점 : 컴파일 중간에 문제가 생기면 처음부터 다시 컴파일 해야 한다.

• 장점 : 실행 속도가 빠르다.

  • 소스코드 최적화 가능 : 컴파일 과정에서 필요 없는 부분들(쓰이지 않는 부분들)을 버릴 수 있다.

• 컴파일러 방식의 목적

  • 오류 발견 : 소스코드 전체에서 오류를 발견할 수 있다.
    인터프리터는 한 줄씩 실행하기 때문에 오류 발견이 어렵다.
  • 소스코드 최적화 : 소스코드를 간결하게 정리하여 실행속도를 빠르게 한다.

• 컴파일러의 컴파일 과정
  

• c언어 코드 : main()의 1,2,3행은 쓰이지 않기 때문에 컴파일 최적화로 인해 컴파일되지 않는다.

• 기계어 : 변수가 주소값으로 바뀌고, 논리 영역에서 0번지부터 차례로 주소를 할당한다.

• 라이브러리 : 링커를 통해 static 라이브러리를 불러온다.

• 동적 라이브러리 : 여러 프로세스들이 동시에 메모리에 저장될 수 있다.
  

인터프리터

• 특징 : 소스코드를 한 줄씩 번역하여 실행한다. 동시통역과 같다.
• 파이썬, 자바스크립트 등

• 장점
  • 부분실행이 가능하다.
  • 융통성 : 소스코드를 실행 중간에 변경할 수 있다.
• 단점
  • 컴파일 중에 소스코드 최적화가 불가능하다.
  • 실행 속도가 느리다.

메모리 관리 작업

• 메모리 가져오기 fetch : 프로세스를 언제 메모리에 올릴지 관리한다.

  • 프로세스를 메모리로 가져온다.

• 메모리 배치 placement : 프로세스를 어떤 위치에 놓을 지 관리한다.

  • 메모리에 공간을 만들고 배치한다.

• 메모리 재배치 replacement : 메모리가 꽉 찼을 경우, 누구를 쫓을지 결정한다.

  • 내쫓으면 하드디스크에 저장된다.
  • 다음에 실행될 가능성이 낮은 것을 내쫓는다.

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메모리 주소

32bit CPU와 64bit CPU의 차이

• 비트: 한 번에 다룰 수 있는 데이터의 최대 크기

• 32bit CPU

  • CPU 내의 레지스터 크기는 모두 32bit이고, ALU(산술논리 연산장치), 버스의 대역폭, 하나의 데이터가 32bit이다.
  • 한 번에 가져와서 계산할 수 있는 양이 최대 32bit이다.
  • 표현할 수 있는 메모리 주소의 범위가 0~2^32-1로 총 2^23개이다.
  • 16진수로 나타내면 00000000~FFFFFFFF, 총 크기는 2^32B이다.

• 64bit CPU

  • 0~2^64-1 번지의 주소 공간을 제공한다.
  • 총 크기가 2^64B로 거의 무한대에 가까운 메모리이다.

메모리 영역의 구분

• 단순 메모리 구조

  • 일괄 처리 시스템에서 볼 수 있다.

  • 운영체제 영역과 사용자 영역으로 나눈다.

  • 사용자 프로세스 적재 방법 : 운영체제 영역과 겹치지 않게 적재한다.

    운영체제 공간이 부족할 경우 사용자 영역을 침범하면 위험하다.

    • OS 크기에 따라 주소가 달라지면 번거롭기 때문에 사용자 프로세스를 메모리 최상위(맨 아래)부터 사용한다.
    • 주소를 변경하는 것이 복잡하므로 잘 쓰이지 않는다.

• 경계 레지스터 : 운영체제 영역과 사용자 영역 경계 지점의 주소를 가진다.
  • CPU내에 있다.
  • 사용자 영역이 운영체제 영역을 침범하는 것을 막는다.
  • 사용자가 작업 요청을 할 때마다 경계를 침범하는지 검사한다.
  • 침범하는 작업을 요청하면 해당 프로세스를 종료시킨다.

물리 주소와 논리 주소

• 물리 주소 physical address : 메모리 입장의 주소이다.

  • 메모리 주소 레지스터가 사용하는 실제 주소이다.

• 논리 주소 logical address : 프로세스 입장의 주소이다.

  • 항상 0번지부터 시작하기 때문에 편리하다.

• offset : 논리 메모리에서 사용하는 상대적인 주소
• base : 논리 메모리 0번지의 실제 물리 주소이다.
  
  
• 만약 변수 val의 offset이 3번지이고, base가 300번지로 할당된다고 가정하면, val의 실질적인 물리 주소는 303번지이다.
  

• 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 과정

  1. 사용자 프로세스 P1 이 논리 주소 40번지의 데이터를 요청한다.

  2. CPU가 40번지 데이터를 가져오라고 메모리 관리자에게 요청한다.

  3. 메모리 관리자가 재배치 레지스터를 사용해 400번지 (base+offset)에 저장된 데이터를 가져온다.

재배치 레지스터 : 현재 CPU에서 수행 중인 프로세스의 물리 메모리 시작 주소를 갖고 있다.

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단일 프로그래밍 환경의 메모리 할당

메모리 오버레이

• 메모리 오버레이 : 프로그램의 크기가 물리 메모리보다 클 때 잘라서 가져오는 기법

• 작동 방식 : 필요한 모듈만 메모리에 올려 실행한다.
  

• 의미

  • 메모리보다 큰 프로그램 실행 가능하다.
  • 프로그램 일부만 실행이 가능하다.

스왑

• 스왑 영역 swap area : 메모리에서 쫓겨난 프로세스를 저장장치의 특정 공간에 모아두는 영역

  • 메모리 관리자가 관리한다. 저장장치는 장소만 빌려준다.
  • 사용자가 인식하는 전체 메모리 크기 = 메모리 크기+스왑 영역 크기

• 스왑인 swap in : 스왑 영역 -> 메모리

• 스왑아웃 swap out : 메모리 -> 스왑 영역
  

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다중 프로그래밍 환경의 메모리 할당

메모리 분할 방식

메모리에 여러 개 프로세스를 배치하는 방법 2가지

• 가변 분할 방식 variable-size partitioning : 프로세스 크기에 따라 메모리를 나눈다.

  • 프로세스마다 크기가 다르므로 각 영역이 모두 다르다.
  • 장점 : 연속 메모리 할당 방식이다.
  • 단점 : 다른 프로세스들의 자리를 옮기면서 빈 공간을 합쳐야 하기 때문에 구현이 복잡하다.

• 고정 분할 방식 fixed-size partitioning : 고정된 크기로 메모리를 나누고 프로세스를 조각내서 배치한다.

  • 장점 : 조각 모음 하지 않아도 되므로 관리가 편하다.
  • 단점
    • 비연속 메모리 할당이다.
      -> 프로세스 실행 시 복잡하다.
    • 작은 조각으로 인해 메모리 낭비가 발생한다.

가변 분할 방식의 메모리 관리

• 세그먼테이션 segmentation 기법 : 프로세스 크기에 맞춰 메모리를 할당한다.

• 단편화 fragmentation 발생

  • 프로세스가 종료되면 생기는 빈 공간이 일치하지 않는다.
  • 빈 공간(조각) 이 프로세스 바깥에 위치하여 외부 단편화 external fragmentation 이라고 한다.

• 외부 단편화의 해결 (메모리 배치 방식, 조각 모음)

  • 메모리 배치 방식 : 작은 조각이 생기지 않도록 프로세스를 배치한다.

  • 선처리에 해당한다.
    
    

  • 최초 배치 first fit : 제일 처음 찾은 맞는 공간에 배치한다.

    • 메모리를 list로 탐색한다.
    • 장점 : list를 적게 탐색하므로 오버헤드가 적다.
    • 단점 : 단편화가 많이 발생한다.
      

  • 최적 배치 best fit : 맞는 빈 공간 중에서 가장 작은 공간에 배치한다.

    • 장점 : 단편화가 적게 발생한다.
    • 단점 : list를 많이 탐색하므로 오버헤드가 크다.
      
      

  • 최악 배치 worst fit : 가장 큰 공간에 배치한다.

    • 장점 : 남는 공간에 재배치가 가능하다.
    • 단점 : 단편화가 많이 발생할 수 있다.
      
      

• 외부 단편화의 해결

  • 조각 모음 defragmentation : 배치된 프로세스를 옆으로 옮겨 작은 조각을 모아 큰 공간으로 만든다.
    • 후처리에 해당한다.

  동작 방식

  1. 이동할 프로세스의 동작을 멈춘다.
  2. 프로세스를 적당한 위치로 이동한다.
  3. 작업을 마친 후 프로세스를 다시 시작한다.

defragmentation을 최소화하는 것이 좋다.
마우스 포인터가 돌아갈 때 메모리 단편화가 일어난다.

고정 분할 방식의 메모리 관리

• 페이징 paging 기법 : 물리 메모리를 나눈다.

  • 단점 : 내부 단편화

    • 페이지 크기보다 작은 프로세스가 배치될 경우 작은 조각이 생긴다
      -> 페이지 크기를 줄인다 -> 관리 오버헤드

  • 장점 : 조각 모음을 할 필요가 없어 메모리 관리가 수월하다.

가변 분할 방식과 고정 분할 방식의 비교

구분	가변 분할 방식 (segmentation)	고정 분할 방식 (paging)
메모리 관리 기법	segmentation	paging
특징	연속 메모리 할당	비연속 메모리 할당
장점	프로세스를 한 덩어리로 관리 가능	메모리 관리가 편리함
단점	빈 공간의 관리(조각 모음)가 어려움	프로세스가 분할되어 처리됨
단편화	외부 단편화	내부 단편화

버디 시스템

• 작동 방식

1. 프로세스 크기에 맞게 메모리를 1/2로 나누고 프로세스를 메모리에 배치한다.
2. 나뉜 메모리의 각 구역에는 프로세스가 1개만 들어간다.
3. 프로세스가 종료되면 주변의 빈 조각과 합친다.
   

• 장점

  • 메모리가 프로세스 크기대로 나뉘므로 연속 메모리 할당이다.

  • 작은 조각을 모아 큰 조각을 만들 수 있다.

• 단점

  • 내부 단편화가 발생한다.
    고정 분할 방식처럼 하나의 구역에 다른 프로세스가 들어갈 수 없고, 조각이 생긴다.
    다시 말해, 프로세스보다 메모리가 약간 크면 조각이 생긴다.
  • 조각을 합치는 오버헤드가 있다.

• 버디 시스템의 자리 배정 예
  

  • A 3명이 들어옴 -> 1/2 하여 8-8 -> 1/2 하여 4-4

  • 2 < (A) 3명 < 4 이므로 크기 4인 공간에 배정된다.

  • 이때, 12번은 내부 단편화가 발생한다.

    

  • 오른쪽에는 더이상 1자리가 만들어질 수 없으므로 왼쪽에 배치한다.

  • 8 -> 1/2하여 4-4 -> 1/2하여 2-2 -> 1/2하여 만들어진 1-1에 D를 배정한다.

  • E 4명 배정 -> F 1명 배정 -> G 2명 배정했다.

  • H 4명 -> I 2명은 대기한다.

    

  • D 1명 종료 -> A 3명 종료

  • H 4명 배정되었지만 I는 공간이 없으므로 대기한다.

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분할 컴파일과 메모리 관리

분할 컴파일

• 다중 소스코드 multiple source code : 여러 개 소스코드 파일로 하나의 실행 파일을 만든다.

• 분할 컴파일 : 여러 개 소스코드를 각각 컴파일하여 하나의 실행파일로 만든다.

  • 여러 명이 각자 컴파일한 목적 코드(기계어 코드)를 모아 같이 컴파일한다.
  • 목적 코드는 오류 검사가 끝난 파일이므로 오류 없는 실행 파일이 된다.

변수와 메모리 할당

• 변수와 메모리

char str='a';	//변수 str을 문자열로 선언하고 a를 넣는다.
int vol=7;		//변수 vol을 정수로 선언하고 7을 넣는다.
float pri=2.3;	//변수 pri를 실수로 선언하고 2.3을 넣는다.

• 심벌 테이블 : 컴파일러가 모든 변수의 메모리를 확보하고 오류를 찾기 위해 유지한다.
  

  • 오류 점검 시 사용된다.
  • 변수 사용할 때마다 사용 범위를 지키는지 점검한다.
  • 컴파일러가 만든 변수의 주소는 논리 주소이다.