[혼공단] '혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제' 6주차

YongHo Shin·2025년 2월 20일
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Chapter 14. 가상 메모리

14-1. 연속 메모리 할당

  • 연속 메모리 할당 : 메모리 공간에 프로세스들을 연속적으로 배치 -> 외부 단편화 발생

스와핑

  • 메모리에 적재된 프로세스 중 현재 실행되지 않는 프로세스를 보조 기억 장치로 옮기고, 메모리상 빈 공간에 다른 프로세스를 적재하여 실행하는 방식

* 스왑 영역(swap space) : 실행되지 않는 프로세스들이 임시로 적재되는 보조기억장치 일부 영역
* 스왑 아웃(swap-out) : 프로세스를 메모리에서 스왑 영역으로 옮기는 것
* 스왑 인(swap-in) : 프로세스를 스왑 영역에서 다시 메모리로 옮겨오는 것

  • 프로세스들이 요구하는 메모리 영역의 합이 실제 메모리보다 큰 경우에도 프로세스 동시 실행이 가능

메모리 할당

  • 스왑 중에 생기는 메모리 빈 공간 중 어느 곳에 프로세스를 배치할지 결정하는 것
최초 적합(first fit)
  • 운영체제가 메모리 내 빈 공간을 순서대로 검색하다가 적재할 수 있는 공간을 발견하는 그 즉시 해당 공간에 프로세스를 배치
  • 검색시간 최소화로 메모리의 빠른 할당이 가능
최적 적합(best fit)
  • 메모리 전체 빈 공간을 검색한 후 프로세스가 적재될 수 있는 공간 중 가장 작은 크기의 공간에 해당 프로세스 배치
최악 적합(worst fit)
  • 메모리 전체 빈 공간을 검색한 후 프로세스가 적재될 수 있는 공간 중 가장 큰 크기의 공간에 해당 프로세스 배치

외부 단편화

  • 아래 예제에서 총 30MB 의 여유 공간이 있지만 30MB 프로세스는 할당 불가능

    1. 메모리 내 사용자 공간은 총 50MB 이고 현재 5MB ~ 25MB 프로세스가 메모리에 연속적으로 할당된 상태
메모리 내 사용자 공간 (총 50mb)
5mb process
10mb process
15mb process
20mb process
25mb process
  1. 10MB 20MB 프로세스 실행이 완료되어 메모리 해제
메모리 내 사용자 공간 (총 50mb)
5mb process
empty space (10mb)
15mb process
empty space (20mb)
25mb process

14-2. 페이징을 통한 가상 메모리 관리

페이징이란

  • 메모리, 프로세스를 일정한 단위로 자르고 (프로세스 : 페이지, 메모리 : 프레임) 이를 메모리에 불연속적으로 할당가능하도록 만들어 외부 단편화*로 인한 메모리 낭비 방지

* 외부 단편화 를 해결할 수 있으나, 반대로 내부 단편화** 발생 가능
** 내부 단편화 : 전체 프로세스 크기가 페이지 크기의 배수가 아닐 경우 마지막 페이지에 남는 공간이 발생할 수 있음. 예를 들어, 페이지 크기가 10kb이고, 프로세스 크기가 108kb 인 경우 마지막 페이지에 2kb 만큼 메모리 낭비 발생

페이지 테이블

  • 페이지 테이블 : 현재 어떤 페이지가 어떤 프레임에 할당되었는지 저장하는 자료 구조
  • 페이지 테이블 베이스 레지스터(PTBR; page table base register) : 각 프로세스의 페이지 테이블이 적재된 주소를 가리키는 레지스터

* 페이지 테이블을 메모리에 둘 경우 메모리 접근 시간이 두 배로 늘어남. 이를 해결하기 위해 TLB(translation lookaside buffer)** 이용
** TLB : 캐시 메모리의 일종. 참조 지역성에 근거하여 최근에 접근한 페이지 테이블의 일부 내용을 캐시로 저장.

페이징에서의 주소 변환

  • 특정 주소에 접근하기 위해 필요한 정보
    • 어떤 페이지 (혹은 프레임)에 접근하고 싶은지
    • 접근하려는 주소가 그 페이지 (혹은 프레임)으로부터 얼마나 떨어져 있는지
  • 이를 위해 페이징 시스템에서 모든 주소는 페이지 번호, 변위(오프셋;offset) 으로 구성

페이지 테이블 엔트리

  • 페이지 테이블 엔트리(PTE; page table entry) : 페이지 테이블에서 각각의 행
  • PTE에 저장되는 정보
    • 페이지 번호
    • 프레임 번호
    • 유효 비트 : 현재 해당 페이지에 접근 가능한지
    • 보호 비트 : 해당 페이지가 읽기만 가능한지 혹은 읽고 쓰기 모두 가능한지
    • 참조 비트 : CPU 가 이 페이지에 접근한 적이 있는지
    • 수정 비트 : 페이지가 메모리에서 사라질 때 보조 기억 장치에 쓰기가 필요한지

[좀 더 알아보기] 페이징의 이점 - 쓰기 시 복사

  • fork() 함수가 호출되는 경우 자식 프로세스에게 별도의 메모리 공간이 할당되어야 함.
  • 실제로 메모리 내용을 덮어쓰기 전까지는 자식 프로세스를 위한 별도의 페이지 테이블만 생성되고, 해당 페이지 테이블의 페이지들은 부모와 동일한 프레임을 가리키고 있음.
  • 이를 통해 자식 프로세스가 좀 더 빨리 준비될 수 있고, 메모리 공간의 낭비를 막을 수 있음.

[좀 더 알아보기] 계층적 페이징

  • 페이지 테이블 을 페이징. 즉, 여러 단계의 페이지를 두는 방식
  • 다단계 페이지 테이블(multilevel page table)
  • 다단계 페이지 테이블에서 논리 주소 형태
바깥 페이지 번호안쪽 페이지 번호변위
  1. 바깥 페이지 번호를 통해 페이지 테이블의 페이지 검색
  2. 페이지 테이블 페이지를 통해 프레임 번호를 찾고 변위를 더하여 물리 주소 변환

14-3. 페이지 교체와 프레임 할당

요구 페이징

  • 프로세스에서 현재 필요한 페이지만을 메모리에 적재하는 기법. 즉, 실행에 요구되는 페이지만 적재

  • 기본 흐름 (ex. 순수 요구 페이징(pure demand paging))

    1. CPU가 특정 페이지에 접근하는 명령어 실행
    2. 해당 페이지가 메모리에 존재하는 경우(유효 비트 1) CPU는 페이지가 적재된 프레임에 접근
    3. 해당 페이지가 메모리에 존재하지 않는 경우(유효 비트 0) 페이지 폴트 발생
    4. 페이지 폴트 처리 루틴에서 페이지 적재 후 유효 비트 1 로 설정
    5. 다시 1번 수행

  • 요구 페이징 시스템의 고려사항

    1. 페이지 교체 (페이지 교체 알고리즘)
    2. 프레임 할당

페이지 교체 알고리즘

FIFO 페이지 교체 알고리즘
  • 메모리에 가장 먼저 적재된 페이지부터 교체

* 2차 기회 페이지 교체 알고리즘
FIFO 알고리즘 적용시 자주 참조되는 페이지임에도 먼저 참조되었다는 이유로 교체 당할 수 있음. FIFO를 통해 선택된 페이지 참조 비트가 1일 경우 참조 비트를 0으로 만들고 현재 시간을 적재 시간으로 설정. 참조 비트가 0인 상태에서 FIFO를 통해 선택되는 경우 그대로 교체

최적 페이지 교체 알고리즘
  • 앞으로 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체
  • 앞으로 오랫동안 사용되지 않을 페이지 예측이 어려우므로, 실제 사용보다는 다른 알고리즘의 이론상 성능 평가 목적으로 사용
LRU 페이지 교체 알고리즘
  • LRU : Least Recently Used Page Replacement Algorithm
  • 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체

스레싱과 프레임 할당

스래싱(thrashing)

  • 프로세스가 실제 실행되는 시간보다 페이징에 소요되는 시간이 더 많아서 성능이 저해되는 문제
    (예) 사용 가능한 프레임 수가 너무 적어서 페이지 폴트 빈도가 높아지는 경우 -> 멀티프로그래밍 정도(degree of multiprogramming) 를 높인다고 해서 CPU 이용률이 비례해서 증가하지 않음

  • 프레임 할당 방식 (정적 할당 방식; 프로세스 실행 과정 고려 X, 오직 프로세스 크기, 물리 메모리 크기만 고려)

    • 균등 할당(equal allocation)
    • 비례 할당(proportional allocation)

  • 동적 할당 방식(프로세스 실행 과정에서 배분할 프레임 결정)

    • 작업 집합 모델(working set model)
      프로세스가 일정 기간 동안 참조한 페이지 집합(작업 집합; working set)을 기억
    • 페이지 폴트 빈도(PFF; page-fault frequency)
      페이지 폴트율의 상한, 하한을 정해서 이 범위 안에서 프레임 할당

Chapter 15. 파일 시스템

15-1. 파일과 디렉토리

파일

  • 보조기억장치(HDD, SSD 등)에 저장된 관련 정보의 집합
  • 이름, 실행을 위한 정보 및 파일 관련 부가 정보* 포함

* 메타데이터(metadata; 속성; attribute)

파일 속성과 유형
속성 이름의미
유형운영체제가 인지하는 파일의 종류(확장자)
크기파일의 현재 크기, 허용 가능한 최대 크기
보호사용자별 파일 권한(읽기, 쓰기, 실행)
생성 날짜파일이 생성된 날짜
마지막 접근 날짜파일에 마지막으로 접근한 날짜
마지막 수정 날짜파일이 마지막으로 수정된 날짜
생성자파일을 생성한 사용자
소유자파일을 소유한 사용자
위치파일의 보조기억장치상 현재 위치
파일 연산을 위한 시스템 호출
  • 파일 관련 모든 작업은 운영체제에 의해서만 이루어짐
  • 응용 프로그램은 시스템 콜 을 통해 필요한 작업들을 운영체제에 요청

디렉토리 (윈도우 - 폴더)

  • 파일 관리를 위해 도입
  • 1단계 디렉토리가 발전하여 현재의 트리 구조 디렉토리로 발전
절대 경로와 상대 경로
  • 절대 경로 : 최상위 루트 디렉토리를 기준으로 나타낸 파일 경로
  • 상대 경로 : 현재 디렉토리를 기준으로 나타낸 파일 경로
디렉토리 연산을 위한 시스템 호출
  • 파일과 마찬가지로 운영체제(시스템 콜) 에 의해서 수행
디렉토리 엔트리
  • 운영체제는 디렉토리를 특별한 형태의 파일로 간주
  • 디렉토리 엔트리 : 해당 디렉토리에 포함되는 대상 관련 정보를 저장하는 테이블

[좀 더 알아보기] 상대 경로를 나타내는 또 다른 방법

  • . : 현재 디렉토리
  • .. : 현재 디렉토리의 한단계 상위 디렉토리

15-2. 파일 시스템

  • 파일 시스템 : 파일, 디렉토리를 보조기억장치에 저장하고 접근할 수 있게 하는 운영체제 내부 프로그램

파티셔닝과 포매팅

  • 파티셔닝 : 저장 장치의 논리적인 영역을 구획하는 작업
    • 파티션 : 파티셔닝을 통해 나누어진 각 영역
  • 포매팅 : 파일 시스템을 생성하여 저장 장치에 새로운 데이터를 쓰기 위한 준비 작업
    • 저수준 포매팅 : 저장 장치 생성 당시 공장에서 수행되는 물리적 포매팅

파일 할당 방법

  • 블록(Block) : 운영체제가 저장 장치에 파일, 디렉토리를 읽고 쓰는 단위
    하드 디스크의 가장 작은 단위는 섹터이지만, 섹터 단위로 관리하기엔 크기가 너무 작고 개수는 너무 많음
    (윈도우에서는 클러스터)

  • 파일에 블록을 할당하는 방법 : 연속 할당, 불연속 할당 - 연결 할당, 색인 할당

연속 할당 (contiguous allocation)
  • 연속적으로 할당
  • 외부 단편화 발생하므로 비효율적
연결 할당 (linked allocation)
  • 각 블록 의 일부에 다음 블록의 주소를 저장
  • 반드시 첫번째 블록부터 하나씩 읽어야 함
  • 하드웨어 고장이나 오류 발생 시 해당 블록 이후 블록에 접근 불가
  • 연결 할당을 변형한 대표적인 파일 시스템이 FAT
색인 할당 (indexed allocation)
  • 파일의 모든 블록 주소를 색인 블록(index block) 에 모아서 관리하는 방식
  • 파일 내 임의 위치에 대한 접근 용이
  • 색인 할당 사용시 디렉토리 엔트리에 파일 이름과 색인 블록 주소를 함께 명시
  • 유닉스 파일 시스템이 대표적

파일 시스템 살펴보기

FAT 파일 시스템
예약영역FAT 영역루트 디렉토리 영역데이터 영역
  • 파일 할당 테이블(FAT; file allocation table) : 각 블록에 포함된 다음 블록 주소들을 관리하는 테이블
  • FAT를 메모리에 적재하고 실행시 임의 접근 성능 개선
  • FAT 파일 시스템 의 디렉토리 엔트리
파일명확장자속성예약영역생성시간마지막접근시간마지막수정시간시작블록파일크기
유닉스 파일 시스템
예약영역i-node 영역데이터 영역
  • i-node : 유닉스에서 사용되는 색인 블록의 명칭. 파일 속성 정보와 열다섯 개의 블록 주소 저장 가능
    • 파일마다 번호가 부여된 i-node가 존재.
    • i-node 의 블록 주소 공간 중 첫 12개는 데이터 블록 주소 직접 명시.
    • 13번째 공간은 단일 간접 블록 주소 저장
    • 14번째 공간은 이중 간접 블록* 주소 저장
    • 13번째 공간은 삼중 간접 블록** 주소 저장

* 이중 간접 블록 : 단일 간접 블록들의 주소를 저장
** 삼중 간접 블록 : 이중 간접 블록들의 주소를 저장

  • 유닉스 파일 시스템의 디렉토리 엔트리
i-node 번호파일이름

[좀 더 알아보기] 저널링 파일 시스템

  • 저널링 기법* 을 이용한 파일 시스템
    • 파일 시스템 변경 도중 시스템 크래시 등에서 빠른 복구 가능

* 저널링 기법 : 작업 로그를 먼저 남긴 후 작업을 수행하고 작업이 끝나면 로그를 삭제함. 작업 수행 중 에러 발생으로 작업이 정상적으로 완료되지 못한 경우 로그를 통해 복구 가능

[좀 더 알아보기] 마운트

  • 한 저장 장치의 파일 시스템에서 다른 저장 장치의 파일 시스템에 접근할 수 있도록 파일 시스템을 편입시키는 작업

6주차 숙제

(p. 400) 확인 문제 1번

Q. 메모리 할당 방식에 대한 설명으로 올바른 것을 다음 보기에서 찾아 써 보세요.

[보기] 최초 적합, 최적 적합, 최악 적합
  • ( 1 ) : 최초로 발견한 적재 가능한 빈 공간에 프로세스를 배치하는 방식
  • ( 2 ) : 프로세스가 적재될 수 있는 가장 큰 공간에 프로세스를 배치하는 방식
  • ( 3 ) : 프로세스가 적재될 수 있는 가장 작은 공간에 프로세스를 배치하는 방식

A.

  • ( 1 ) : 최초 적합
  • ( 2 ) : 최악 적합
  • ( 3 ) : 최적 적합

(추가 숙제) Ch.14 (14-3)

Q. 프로세스가 사용할 수 있는 프레임이 3개 있고, 페이지 참조열이 '2313523423' 일 때 LRU 페이지 교체 알고리즘으로 이 페이지를 참조한다면 몇 번의 페이지 폴트가 발생하는가?

A. 총 6번 발생

  • 참조열 순서대로 서술
  1. 2번 페이지 참조 시도 - 페이지 폴트! 2번 페이지 적재
프레임 구분123
적재 페이지2
접근 시기1
  1. 3번 페이지 참조 시도 - 페이지 폴트! 3번 페이지 적재
프레임 구분123
적재 페이지23
접근 시기12
  1. 1번 페이지 참조 시도 - 페이지 폴트! 1번 페이지 적재
프레임 구분123
적재 페이지231
접근 시기123
  1. 3번 페이지 참조 시도 - 2번 프레임 접근
프레임 구분123
적재 페이지231
접근 시기143
  1. 5번 페이지 참조 시도 - 페이지 폴트! 1번 프레임이 가장 오래전에 접근했으므로 페이지 교체
프레임 구분123
적재 페이지531
접근 시기543
  1. 2번 페이지 참조 시도 - 페이지 폴트! 3번 프레임이 가장 오래전에 접근했으므로 페이지 교체
프레임 구분123
적재 페이지532
접근 시기546
  1. 3번 페이지 참조 시도 - 2번 프레임 접근
프레임 구분123
적재 페이지532
접근 시기576
  1. 4번 페이지 참조 시도 - 페이지 폴트! 1번 프레임이 가장 오래전에 접근했으므로 페이지 교체
프레임 구분123
적재 페이지432
접근 시기876
  1. 2번 페이지 참조 시도 - 3번 프레임 접근
프레임 구분123
적재 페이지432
접근 시기879
  1. 3번 페이지 참조 시도 - 2번 프레임 접근
프레임 구분123
적재 페이지432
접근 시기8109
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