Memory Management

gmkim·2023년 11월 28일
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Logical & Physical Address

  • Logical address (=virtual address; VA)
    • 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
    • 각 프로세스마다 0번지부터 시작
    • CPU(processor)가 보는 주소는 logical address임
  • Physical address (PA)
    • 메모리에 실제 올라가는 위치
  • 주소 바인딩 (address binding) : 주소를 결정하는 것
    • Symbolic Address -> Logical Address -> Physical address

주소 바인딩 (Address Binding)

  • Compile time binding
    • 물리적 메모리 주소(physical)가 컴파일 시 알려져 있다.
    • 시작 위치 변경시 재컴파일
    • 컴파일러는 절대 코드(absolute code) 생성
  • Load time binding
    • Loader의 책임하에 물리적 메모리 주소 부여
    • 컴파일러가 재배치가능코드(relocatable code)를 생성한 경우 가능
  • Execution time binding (=Run time binding)
    • 수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리 상 위치를 옮길 수 있다.
    • CPU가 주소를 참조할 때마다 binding을 점검 (address mapping table)
    • 하드웨어적인 지원이 필요
      • ex. base and limit registers, MMU

Memory-Management Unit (MMU)

주소 변환을 위한 하드웨어

  • MMU : logical address를 physical address로 매핑해 주는 Hardware device
  • MMU scheme
    • 사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해내는 모든 주소값에 대해 base register (=relocation register)의 값을 더한다.
  • user program
    • logical address만을 다룬다.
    • 실제 physical address를 볼 수 없으며 알 필요가 없다.

Dynamic Relocation

Hardware Support for Address Translation

운영체제 및 사용자 프로세스 간의 메모리 보호를 위해 사용하는 레지스터

  • Relocation register : 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최소값
    • MMU에서의 base register
  • Limit register : 논리적 주소의 범위

용어

Dynamic Loading

  • 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load하는 것
    • Loading : 메모리로 올리는 것
  • memory utilization의 향상
  • 가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용
    • ex. 오류 처리 루틴
  • 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능 (OS는 라이브러리를 통해 지원 가능)

Dynamic Linking

  • Linking을 실행 시간(execution time)까지 미루는 기법
  • DLLs : Dynamically Linked Libraries
  • Static linking
    • 라이브러리가 프로그램의 실행 파일 코드에 포함
    • 실행 파일의 크기가 커진다.
    • 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리 낭비 (ex. printf 함수의 라이브러리 코드)
  • Dynamic linking
    • 라이브러리가 실행 시 연결(link)됨
    • 라이브러리 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둔다.
    • 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고 없으면 디스크에서 읽어온다.
    • 운영체제의 도움이 필요하다.

Overlays

  • 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올린다.
  • 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용하다.
  • 운영체제의 지원없이 사용자에 의해 구현
  • 작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머가 구현
    • “Manual Overlay”
    • 프로그래밍이 매우 복잡

Swapping

Allocation of Physical Memory

-메모리는 일반적으로 두 영역으로 나뉘어 사용

  • OS 상주 영역 : interrupt vector와 함께 낮은 주소 영역 사용
  • 사용자 프로세스 영역 : 높은 주소 영역 사용
  • 사용자 프로세스 영역의 할당 기법
    • Contiguous allocation : 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것
      • Fixed partition allocation
      • Variable partition allocation
    • Noncontiguous allocation : 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있다.
      • Paging : 일정한 크기(페이지 단위)로 잘라 메모리에 올림
      • Segmentation : 의미단위로 분할해서 메모리에 올림
      • Paged Segmentation

Contiguous Allocation

고정분할(Fixed partition) 방식

  • 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)로 나눈다.
  • 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
  • 분할당 하나의 프로그램 적재
  • 융통성이 없다.
    • 동시에 메모리에 load되는 프로그램의 수가 고정된다.
    • 최대 수행 가능 프로그램 크기 제한
  • Internal fragmentation 발생 (external fragmentation도 발생)
    • 프로세스가 사용하지 못하고 남는 공간
  • 가변분할(Variable partition) 방식
    • 프로그램의 크기를 고려해서 할당
    • 분할의 크기, 개수가 동적으로 변한다.
    • 기술적 관리 기법 필요
    • External fragmentation 발생
      • 연속적인 프로그램을 못 받는다.
  • 외부 조각 (External fragmentation)
    • 프로그램 크기보다 분할의 크기가 작은 경우
    • 아무 프로그램에도 배정되지 않은 빈 곳인데도 프로그램이 올라갈 수 없는 작은 분할
  • 내부 조각 (Internal fragmentation)
    • 프로그램 크기보다 분할의 크기가 큰 경우
    • 하나의 분할 내부에서 발생하는 사용되지 않는 메모리 조각
    • 특정 프로그램에 배정되었지만 사용되지 않는 공간
  • Hole
    • 가용 메모리 공간 (a block of available memory)
    • 다양한 크기의 hole들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있다.
    • 프로세스가 도착하면 수용가능한 hole을 할당
    • 운영체제는 다음의 정보를 유지
      • 할당 공간, 가용 공간 (hole)
  • Dynamic Storage-Allocation Problem : 가변 분할 방식에서 size n인 요청을 만족하는 가장 적절한 hole을 찾는 문제
    • First-fit
      • Size가 n 이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당
    • Best-fit
      • Size가 n 이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당
      • Hole들의 리스트가 크기순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole의 리스트를 탐색해야 함
      • 많은 수의 아주 작은 hole들이 생성된다.
    • Worst-fit
      • 가장 큰 hole에 할당
      • 역시 모든 리스트를 탐색해야 함
      • 상대적으로 아주 큰 hole들이 생성된다.
  • First-fit과 best-fit이 worst-fit보다 속도와 공간 이용률 측면에서 효과적인 것으로 알려짐(실험적인 결과)
  • compaction
    • external fragmentation 문제를 해결하는 한 가지 방법
    • 사용 중인 메모리 영역을 한군데로 몰고 hole들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
    • 매우 비용이 많은 드는 방법이다.
    • 최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법 (매우 복잡한 문제)
    • Compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행될 수 있다.

Paging

  • Paging
    • Process의 virtual memory를 동일한 사이즈의 page 단위로 나눈다.
    • virtual memory의 내용이 page 단위로 non-contiguous하게 저장됨
    • 일부는 backing storage에, 일부는 physical memory에 저장
  • Basic Method
    • physical memory를 동일한 크기의 frame으로 나눈다.
      • frame : fixed-sized block
    • logical memory를 동일 크기의 page로 나눈다. (frame과 같은 크기)
      • page size : 보통 4KB
    • 모든 가용 frame들을 관리한다.
    • page table을 사용하여 logical address를 physical address로 변환한다.
    • External fragmentation 발생 안한다. (avoid)
    • Internal fragmentation 발생할 수 있다.

Implementation of Page Table

  • Page table은 main memory에 상주
  • Page-table base register (PTBR)가 page table을 가리킴
    • Faster context switches, but still slower memory access time.
  • Page-table length register (PTLR)가 테이블 크기를 보관
  • 모든 메모리 접근 연산에는 2번의 memory access 필요
  • page table 접근 1번, 실제 data/instruction 접근 1번
  • 속도 향상을 위해 associative register 혹은 translation look-aside buffer (TLB)라 불리는 고속의 lookup hardware cache 사용

Associative Register

  • Associative registers (TLB) : parallel search가 가능
    • TLB에는 page table 중 일부만 존재
    • 주소 변환을 가속화하기 위한 하드웨어 지원
  • Address translation
    • page table 중 일부가 associative register에 보관되어 있다.
    • 만약 해당 page #가 associative register에 있는 경우 곧바로 frame #를 얻는다.
    • 그렇지 않은 경우 main memory에 있는 page table로부터 frame #를 얻는다.
    • TLB는 context switch 때 flush (remove old entries)

Effective Access Time

  • TLB hit : 만약 page number가 TLB에 있는 경우, MMU는 page table를 거치지 않고 VA를 PA로 전환한다.
  • TLB miss : 만약 page number가 TLB에 없는 경우, MMU는 page table로 가고, TLB에 변환 결과를 저장한다.
  • Associative register lookup time = ε
  • memory cycle time = 1
  • Hit ratio = 관심 page number가 TLB에서 발견된 횟수(백분율) (=α)
    • associative register에서 찾아지는 비율
  • Effective Access Time (EAT)
    • EAT = (1+ε)α+(2+ε)(1−α) = 2+ε+α

Two-Level Page Table

  • 현대의 컴퓨터는 address space가 매우 큰 프로그램을 지원
    • 32 bit address 사용시: 2^32 B (4GB)의 주소 공간
      • page size가 4K시 1M개의 page table entry 필요
      • 각 page entry가 4B시 프로세스 당 4M의 page table 필요
      • 그러나, 대부분의 프로그램은 4G의 주소 공간 중 지극히 일부분만 사용하므로 page table 공간이 심하게 낭비된다.

Address-Traslation Scheme

  • 단계 페이징에서의 Address-Translation Scheme

Multilevel Paging & Performance

  • Address space가 더 커지면 다단계 페이지 테이블 필요
  • 각 단계의 페이지 테이블이 메모리에 존재하므로 logical address의 physical address 변환에 더 많은 메모리 접근 필요
  • TLB를 통해 메모리 접근 시간을 줄일 수 있다.
  • 4단계 페이지 테이블을 사용하는 경우
    • 메모리 접근 시간이 100ns, TLB 접근 시간이 20ns이고 TLB hit ratio가 98%인 경우
      • effective memory access time = 0.98 x 120 + 0.02 x 520 = 128 nanoseconds
      • 결과적으로 주소변환을 위해 28ns만 소요

Memory Protection

-Page table의 각 entry마다 아래의 bit를 둔다.

  • Protection bit
    • page에 대한 접근 권한 (read/write/read-only)
  • Valid-invalid bit
    • valid는 해당 주소의 frame에 그 프로세스를 구성하는 유효한 내용이 있음을 뜻함 (접근 허용)
    • invalid는 해당 주소의 frame에 유효한 내용이 없음을 뜻함 (접근 불허)

Valid(v) / Invalid (i) Bit in a Page Table

Inverted Page Table

  • page table이 매우 큰 이유
    • 모든 process 별로 그 logical address에 대응하는 모든 page에 대해 page table entry가 존재
    • 대응하는 page가 메모리에 있든 아니든 간에 page table에는 entry로 존재
  • Inverted page table
    • Page frame 하나당 page table에 하나의 entry를 둔 것 (system-wide)
    • 각 page table entry는 각각의 물리적 메모리의 page frame이 담고 있는 내용 표시(process-id, process의 logical address)
    • 단점 : 테이블 전체를 탐색해야 함
    • 조치 : associative register 사용 (expensive)

Shared Page

  • Shared code : Re-entrant Code (=Pure code) (재진입 가능 코드)
  • reentrant code is non-self-modifying code, that is, it never changes during execution.
    • read-only로 하여 프로세스 간에 하나의 code만 메모리에 올림 (ex. text editors, compilers, window systems)
    • Shared code는 모든 프로세스의 logical address space에서 동일한 위치에 있어야 함
  • Private code and data
    • 각 프로세스들은 독자적으로 메모리에 올림
    • Private data는 logical address space의 아무 곳에 와도 무방

Segmentation

  • 프로그램은 의미 단위인 여러 개의 segment로 구성되어 있다.
    • 작게는 프로그램을 구성하는 함수 하나하나를 세그먼트로 정의
    • 크게는 프로그램 전체를 하나의 세그먼트로 정의 가능
    • 일반적으로는 code, data, stack 부분이 하나씩의 세그먼트로 정의된다.
  • segmentation은 context switch 동안 저장하고 복구해야 한다.
  • Segment는 다음과 같은 logical unit 들이다.
    • main(), function, global variables, stack, symbol table, arrays

Segmentation Achitecture

  • Logical address는 다음의 두 가지로 구성
    • segment-number, offset
  • Segment table
    • each table entry has:
      • base - starting physical address of the segment (segment의 시작)
      • limit - length of the segment (segment의 길이)
  • Segment-table base register (STBR)
    • 물리적 메모리에서의 segment table의 위치
  • Segment-table length register (STLR)
    • 프로그램이 사용하는 segment의 수
      • segment number s is legal if s < STLR
  • Protection
    • 각 세그먼트 별로 protection bit가 있다.
    • Each entry:
      • Valid bit = 0 => illegal segment
      • Read/Write/Execution 권한 bit
  • Sharing
    • shared segment
    • same segment number
    • segment는 의미 단위이기 때문에 공유(sharing)와 보안(protection)에 있어 paging보다 훨씬 효과적이다.
  • Allocation
    • first fit / best fit
    • external / fragmentation 발생
    • segment의 길이가 동일하지 않으므로 가변분할 방식에서와 동일한 문제점들이 발생

Segmentation w/ Paging

  • pure segmentation과의 차이점
    • segment-table entry가 segment의 base address를 가지고 있는 것이 아니라 segment를 구성하는 page table의 base address를 가지고 있다.

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