3.2 메모리

메모리 계층

메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있음.
레지스터 : CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량 가장 작음
캐시 : L1, L2 캐시를 저장함. 취발성, 속도 빠름, 기억 용량 적음(L3 캐시도 있음)
주기억장치 : RAM을 가리킴. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량 보통
보조기억장치 : HDD, SDD를 일컬으며 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 많음

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를필요시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 함. 계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라지는 특징이 있음. 이러한 계층이 있는 이유는 경제성과 캐시 때문임.

게임하다보면 로딩중이라는 메시지가 나오는데 이는 하드디스트 또는 인터넷에서 데이터를 읽어 RAM으로 전송하는 과정이 아직 끝나지 않았음을 의미함.

캐시

데이터를 미리 복사해놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기위한 메모리를 말함.이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있음.

실제로 메모리와 CPU는 속도 차이가 너무 크기 떄문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결함. 이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 함.
ex) 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있음.

지역성의 원리

캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 함. 이때 이 자주 사용하는 데이터의 근거가 되는 것이 지역성임.
시간 지역성과 공간 지역성이 있음.

• 시간 지역성
  최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 말함. for 반복문으로 이루어진 코드 안의 변수 i에 계속된 접근이 이루어짐. 여기서 데이터는 변수 i고 최근에 사용했기 때문에 계속 접근하여 +1을 연이어 하는 것을 볼 수 있음
• 공간 지역성
  최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성을 말함. 공간을 나타내는 배열 arr의 각 요소들에 i가 할당괴며 해당 배열에 연속적으로 접근함을 알 수 있음.

캐시히트와 캐시미스

캐시에서 원하는 데이터를 찾았으면 캐시히트, 해당 데이터가 캐시에 없으면 주메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 함.
캐시히트를 하게 되면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져오게 됨. 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠름. 반면에 캐시미스가 발생되면 메모리에서 가져오게 되는데, 이는 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느림.

캐시매핑

캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며 CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM)간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명함. 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘 해주려면 이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요함.

• 직접 매핑
  메모리가 1-100이 있고, 캐시가 1-10이 있다면 1:1-10, 2:1-20 ... 이런식으로 매핑하는 것을 말함. 처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦음
• 연관 매핑
  순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑함. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느림.
• 집합 연관 매핑
  직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐놓은 것으로 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적임. 예를 들어 메모리가 1-100 있고 캐시가 1-10 있다면 캐시 1-5에는 1-50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것을 말함.

웹 브라우저의 캐시

소프트웨어적인 대표 캐시는 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리가 있음. 이러한 것들은 보통사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 떄 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰임.

• 쿠키
  만료기한이 있는 키-값 저장소로 same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송됨. 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료 기한을 정할 수 있음. 쿠키를 설정할 때는 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요하며, 클라이언트 또는 서버에서 만료기한 등을 정할 수있는 데 보통 서버에서 만료기한을 정함.

• 로컬 스토리지
  만료기한이 없는 키-값 저장소임. 10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성됨. HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며 클라이언트에서만 수정 가능함.

• 세션 스토리지
  만료기한이 없는 키-값 저장소임. 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 받을 때 해당 데이터가 삭제됨. 5MB까지 저장 가능하며 HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없음. 클라이언트에서만 수정 가능함.

데이터베이스의 캐싱 계층

데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스 데이터 베이스 계층을 캐싱 계층으로 둬서 성능을 향상시키기도 함.

메모리 관리

가상메모리

메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실ㅈ2ㅔ로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말함.

이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소라고 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소라고 함. 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 됨.

가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리됨. 이때 속도 향상을 위해 TLB를 씀.

TLB

메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시임. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층임.

스와핑

가상 메모리에는 존재하지만 실제 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생함. 이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라 함. 마치 페이지 폴트가 일어나지 않는 것처럼 만듦.

페이지 폴트

프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생함.
1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알림.
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춤.
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾음. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동됨.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화함.
5. 중단되었던 CPU를 다시 시작함.

스레싱

스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래함.

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것임.
페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아짐 -> CPU 이용류이 낮아지면 운영체제는 CPU가 한가하다고 생각해서 가용성을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 됨.
이런 악순환이 반복되며 스레싱이 일어나게 됨.

• 해결 방법
  메모리를 늘리거나, HDD->SSD로 교체하는 방법이 있음. 이 외에 운영체제에서 해결할 수 있는 방법으로는 작업 세트와 PFF가 있음.

작업 세트(워킹 세트)

프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것. 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있음.

PFF

페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법임. 만약 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 방법임.

메모리 할당

메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크리를 기반으로 할당하는데, 연속 할다오가 불연속 할당으로 나뉨.

연속 할당

메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말함.
고정 분할 방식과 가변 분할 방식이 있음.

• 고정 분할 방식
  메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없음. 또한 내부 단편화가 발생됨.

  • 내부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

• 가변 분할 방식
  매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용함. 내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화는 발생할 수 있음. 최초 적합, 최적 적합, 최악 적합이 있음.

  • 최초 적합 : 위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당

  • 최적 적합 : 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당

  • 최악 적합 : 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당

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  • 외부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많아 발생하는 현상, 예를 들어 100MB를 55MB, 45MB로 나눴지만 프로그램의 크기는 70MB일 때 들어가지 못하는 것을 말함.

  • 홀 : 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간

불연속 할당

현대 운영체제가 쓰는 방법으로 불연속 할당인 페이징 기법이 있음. 메모리를 동일한 크기의 페이지(보통 4KB)로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것. 이외에도 세그멘테이션과 페이지드 세그멘테이션이 있음.

• 페이징
  동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당함. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해짐.

• 세그멘테이션
  페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식임. 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데, 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있음을 의미함. 공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생됨.

• 페이지드 세그멘테이션
  공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고 물리적 메모리는 페이지로 나눈 것을 말함.

페이지 교체 알고리즘

메모리는 한정되어 있기에 스와핑이 많이 일어나는데, 많이 일어나지 않도록 설계해야하며 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 함.

FIFO

가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법을 의미함.

LRU

참조가 가장 오래된 페이지를 바꿈. 오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있음.

보통 해시 테이블과 이중 연결 리스트를 활용하는데, 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고, 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타냄.

NUR

LRU에서 발전하였으며 일명 clock 알고리즘이라고도 함. 1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미함. 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘임.

LFU

가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체함. 즉, 많이 사용되지 않는 것을 교체함.