Memory Management

Memory

논리적 주소(가상 주소)

• 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소
• 각 프로세스마다 0번지부터 시작
• CPU가 보는 주소는 logical address

물리적 주소

• 메모리에 실제로 올라가는 위치
• 보통 메모리의 낮은 주소 영역에는 운영체제가 올라가고, 높은 주소 영역에는 사용자 프로세스가 올라간다.

주소 바인딩

• 프로세스의 논리적 주소를 물리적 메모리 주소로 연결하는 작업
• Symbolic Address → Logical Address (바로 이 시점)→ Physical Address
• Symbolic Address는 프로그래머 입장에서 사용하는 것으로, 변수 이름과 같은 형태의 주소를 말한다.
• 주소 바인딩의 방식은 프로그램이 적재되는 물리적 메모리의 주소가 결정되는 시기에 따라 세 가지로 분류할 수 있다.

*Load time binding (로드 타임 바인딩)*

• 프로그램의 실행이 시작될 때에 물리적 메모리 주소가 결정되는 주소 바인딩 방식이다.
• Loader의 책임 하에 물리적 메모리 주소가 부여되며 프로그램이 종료될 때까지 물리적 메모리 상의 위치가 고정된다.
  • 로더는 사용자 프로그램을 메모리에 적재하는 프로그램이다.
• 컴파일러가 재배치 가능 코드를 생성한 경우에만 가능하다.

*Compile time binding (컴파일 타임 바인딩)*

• 물리적 메모리 주소가 프로그램을 컴파일할 때 결정되는 주소 바인딩 방식이다.
• 컴파일을 하는 시점에 해당 프로그램이 물리적 메모리의 몇 번지에 위치할 것인지를 결정하므로 프로그램이 절대 주소로 적재된다는 뜻에서 절대 코드를 생성하는 바인딩 방식이라고 부른다.
• 프로그램이 올라가 있는 물리적 메모리의 위치를 변경하고 싶다면 재컴파일해야 한다.
• 현대의 시분할 컴퓨팅 환경에서 거의 사용하지 않는다.

*Execution time binding 또는 Runtime binding (실행 시간 바인딩)*

• 프로그램이 실행을 시작한 후에도 그 프로그램이 위치한 물리적 메모리 상 위치를 변경할 수 있는 바인딩 방식이다.
• CPU가 주소를 참조할 때마다 해당 데이터가 물리적 메모리의 어느 위치에 존재하는지 확인해야하는데, 이때 주소 매핑 테이블(MMU)을 사용한다.
  • MMU는 논리적 주소를 물리적 주소로 매핑하는 하드웨어 장치이다.
• 기준 레지스터, 한계 레지스터 등과 같은 하드웨어적인 자원이 필요하다.

MMU*(Memory-Management Unit)*

• 논리적 주소를 물리적 주소로 매핑해 주는 하드웨어 장치
• MMU를 사용한 기법을 MMU Scheme라고 하는데, 사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해 내는 모든 주소 값에 대해 기준 레지스터의 값을 더하는 방식을 말한다.
  • MMU 기법에서 사용자 프로그램이나 CPU는 논리적 주소만을 다룰 뿐, 실제 메모리 주소는 알지 못하며 알아야 할 필요도 없다.

• CPU가 논리적 메모리 346번지에 있는 내용을 달라고 하면, MMU는 2개의 레지스터를 가지고 변환을 하게 된다.
• 이때, 실제 물리적 메모리의 시작 위치와 논리적 메모리 주소를 더한 값을 CPU에게 전달한다.
  • 논리적 메모리 주소는 offset 개념으로 생각할 수 있다.
• 기준 레지스터(재배치 레지스터)가 물리적 메모리의 시작 위치를 갖고 있으며, 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최솟값에 해당한다.
• 한계 레지스터는 프로그램의 크기를 나타내며 논리적 주소의 범위를 뜻한다. 이 범위를 넘어서는 주소를 요청하면 안 된다.

• 위 순서도와 같이 CPU가 요청한 논리적 주소 값을 한계 레지스터와 비교하여 범위를 넘어서면 trap을 발생시켜 프로세스를 강제 종료한다.
• 그렇지 않으면 기준 레지스터(재배치 레지스터)의 값을 더해서 물리적 주소로 변환한다.
• 이렇듯, 사용자 프로그램은 논리적 주소만 다루므로 실제 물리적 주소를 알 필요는 없다.

*메모리 관리와 관련된 용어*

동적 로딩(Dynamic Loading)

• 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load하는 것이다.
  • loading: 메모리에 올리는 것
• Memory Utilization이 향상된다.
• 가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용하다.
  • ex) 오류 처리 루틴
• 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현이 가능하며, 운영체제가 라이브러리를 통해 지원할 수도 있다.

오버레이(Overlays)

• 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올리는 기법이다.
• 초창기 컴퓨터 시스템에서 물리적 메모리의 크기 제약으로 인해 하나의 프로세스조차도 메모리에 한꺼번에 올릴 수 없을 때, 프로세스의 주소 공간을 분할해서 당장 필요한 일부분을 메모리에 올려 실행하고 해당 부분에 대한 실행이 끝난 후에 나머지 부분을 올려 실행하는 기법을 뜻한다.
• 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용하다.
• 작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 운영체제의 지원 없이 수작업으로 프로그래머가 구현하였다.
  • Manual Overlay
  • 프로그래밍이 상당히 복잡하다.
• 동적 로딩과의 차이점
  • 동적 로딩: 다중 프로세스 환경에서 메모리에 더 많은 프로세스를 동시에 올려놓고 실행하기 위한 용도이다.
  • 오버레이: 단일 프로세스만을 메모리에 올려놓는 환경에서 메모리 용량보다 큰 프로세스를 올리기 위한 어쩔 수 없는 선택이다.

스와핑(Swqpping)

메모리에 올라온 프로세스의 주소 공간 전체를 디스크의 backing store로 쫓아내는 것

• backing store(swap area)
  • 디스크 내에 파일 시스템과는 별도로 존재하는 많은 사용자의 프로세스를 담을 만큼 충분히 빠르고 큰 저장 공간이다.
• swap in
  • 디스크에서 메모리로 올리는 작업
• swap out
  • 메모리에서 디스크로 내리는 작업
• swap이 일어나는 과정
  • 일반적으로 중기 스케줄러가 swap out할 프로세스를 선정한다.
    • 주로, 우선 순위 기반 CPU 스케줄링을 사용한다.
    • 우선 순위가 낮은 프로세스를 swap out함.
    • 우선 순위가 높은 프로세스를 swap in함.
  • 만약 컴파일 타임 바인딩 혹은 로드 타임 바인딩이 사용되고 있다면, swap out되었다가 swap in이 되면 원래 존재하던 메모리 위치로 다시 올라가야 한다.
  • 반면 런타임 바인딩이 사용되고 있다면, 추후 빈 메모리 영역 아무 곳에나 프로세스를 올릴 수 있으므로 Swapping에 적합하다.
• swap time은 디스크의 탐색 시간이나 회전 지연 시간 보다는 디스크 섹터에서 실제 데이터를 읽고 쓰는 전송 시간(transfer time)이 대부분을 차지한다.

Dynamic Linking

• 연결(linking)이란 프로그래머가 작성한 소스 코드를 컴파일하여 생성된 목적 파일(object file)과 이미 컴파일된 라이브러리 파일들을 묶어 하나의 실행 파일을 생성하는 과정이다.
• Dynamic Linking은 컴파일을 통해 생성된 목적 파일과 라이브러리 파일 사이의 연결을 프로그램의 실행 시점까지 지연하는 기법이다.
• Static Linking
  • 라이브러리가 프로그램의 실행 파일 코드에 포함된다.
  • 실행 파일의 크기가 커진다.
  • 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리 낭비가 심하다. (ex. printf 함수의 라이브러리 코드)
• Dynamic Linking
  • 실행 파일에 라이브러리 코드가 포함되지 않으며, 프로그램이 실행되면서 라이브러리 함수를 호출할 때가 되어서야 라이브러리에 대한 연결이 이루어진다.
  • 라이브러리 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둔다.
  • 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고, 없으면 디스크에서 읽어 온다.
  • 운영 체제의 도움이 필요하다.

물리적 메모리의 할당 방식

• 물리적 메모리는 운영체제 상주 영역과 사용자 프로세스 영역으로 나뉜다.
  • 운영체제 상주 영역은 인터럽트 벡터와 함께 낮은 주소 영역을 사용한다.
  • 사용자 프로세스 영역은 높은 주소 영역을 사용한다.
• 사용자 프로세스 영역의 할당 방법
  • 연속 할당
    • 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것
    • 고정 분할 방식
    • 가변 분할 방식
  • 불연속 할당
    • 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라가는 것
    • Paging
    • Segmentaing
    • Paged Segmentation

연속 할당

• 고정 할당 방식
  • 메모리를 주어진 개수만큼의 영구적인 파티션으로 미리 나누어두고 각 파티션에 하나의 프로세스를 적재해 실행한다.
  • 동시에 메모리에 올릴 수 있는 프로그램의 수가 고정되어 있으며 수행 가능한 프로그램의 최대 크기 또한 제한된다는 점에서 융통성이 떨어진다.
  • 외부 조각과 내부 조각이 발생할 수 있다.
    • 외부 조각: 프로그램의 크기보다 파티션의 크기가 작은 경우 해당 파티션이 비어있는 데도 불구하고 프로그램을 적재하지 못하기 때문에 생기는 메모리 공간을 의미한다.
      • 내가 올리려는 프로그램보다 메모리 크기가 작다.
    • 내부 조각: 프로그램의 크기보다 파티션의 크기가 큰 경우 해당 파티션에 프로그램을 적재하고 남는 메모리 공간을 의미한다.
      • 내가 올리려는 프로그램보다 메모리 크기가 크다.
• 가변 분할 방식
  • 메모리에 적재되는 프로그램의 크기에 따라 파티션의 크기, 개수가 동적으로 변하는 방식이다.
  • 고정 분할 방식과 달리 미리 메모리 영역을 나누어 놓지 않는다.
  • 프로그램이 실행될 때마다 차곡차곡 메모리에 올리므로 내부 조각이 발생하지 않는다.
    • 다만 중간에 프로그램이 종료되어 메모리에서 빠져 나가고, 그 공간에 새로운 프로그램이 메모리에 할당될 경우 외부 조각이 발생할 수 있다.

Hole

• 가용 공간
  • 사용되지 않은 메모리 공간으로서 메모리 내의 여러 곳에 산발적으로 존재할 수 있다.
• 프로세스가 도착하면 수용 가능한 hole을 할당해야 한다.
• 운영 체제는 이미 사용 중인 메모리 공간인 할당 공간과 사용하고 있지 않은 가용 공간에 대한 정보를 유지하고 있다.
• 아래 그림에서 어두운 색 영역이 Hole이다.

동적 메모리 할당 문제

• 가변 분할 방식에서 주소 공간의 크기가 n인 프로세스를 메모리에 올릴 때 물리적 메모리 내의 가용 공간 중 어떤 위치에 올릴 것인지 결정하는 문제이다.
• First-fit
  • size가 n 이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당한다.
• Best-fit
  • size가 n 이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당한다.
  • Hole들의 리스트가 크기 순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole을 탐색해야 한다.
  • 많은 수의 아주 작은 hole이 생성된다.
• Worst-fit
  • 가장 큰 hole에 할당한다.
  • 역시 hole을 탐색해야 한다.
  • 상대적으로 아주 큰 hole이 생성된다.
• First-fit과 Best-fit이 Worst-fit보다 속도와 공간 이용률 측면에서 효과적이다.

Compaction (압축)

• 외부 조각 문제를 해결하는 방법 중 하나이다.
• 물리적 메모리 중에서 프로세스에 의해 사용 중인 메모리 영역을 한 쪽으로 몰고, 가용 공간들을 다른 한쪽으로 몰아서 하나의 큰 가용 공간을 만드는 방법이다.
• 매우 비용이 많이 드는 방법이다.
• 최소한의 메모리 이동으로 압축하는 방법은 매우 복잡한 문제이다.
• 압축은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치가 가능한 런타임 바인딩 방식을 지원하는 환경에만 가능하다.

불연속 할당

Paging

• 프로그램을 구성하는 주소 공간을 동한 크기의 Page 단위로 나누어 물리적 메모리의 서로 다른 위치에 페이지들을 저장하는 방식
• Page 단위로 물리적 메모리에 올리거나 내린다.
• PageFrame : 페이지가 들어갈 수 있는 공간
• page table을 사용하여 논리적 주소를 물리적 주소로 변환한다.
• 외부 조각은 발생하지 않지만, 내부 조각은 발생할 수 있다.
• 장점 : hole들의 크기가 균일하지 않은 문제가 없다. 물리적 메모리에서 비어 있는 위치에 어떤 페이지든지 들어갈 수 있기 때문이다.
• 단점 : 주소 변환이 복잡해진다. 주소 변환을 페이지 별로 해야 한다.

Segmentation

• 주소 공간을 Page 단위가 아니라 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식
• 논리적 주소는 세그먼트 번호(s)와 오프셋(d)로 구성된다. CPU가 논리 주소를 주면, 세그먼트 번호와 오프셋으로 나눈다. segment table의 시작 위치는 레지스터가 가지고 있다. 거기에서부터 세그먼트 번호에 해당하는 위치만큼 떨어진 위치에, 세그먼트가 물리적 메모리의 어떤 위치에 올라가 있는지가 있다.
• 프로그램의 주소 공간은 크게 code, data, stack으로 구성된다. 이를 각각 code/data/stack segment으로 나누어, 필요 시에 물리적 메모리의 다른 위치에 올릴 수 있다. 혹은 함수 단위로 세그먼트를 나눌 수도 있다.
• 페이징 기법의 page table의 entry에는 물리적 메모리에서의 시작 위치가 저장되어 있다. 그런데 segment table은 물리적 메모리에서의 시작 위치 외에, segment의 길이 또한 저장한다. segment는 page와 달리 길이가 가변적이기 때문이다.
• 단점 : 의미 단위로 주소 공간을 나누었으므로, 크기가 균열하지 않다. 따라서 Dynamic Storage-Allocation Problem이 발생할 수 있다.
• page table을 사용하여 논리적 주소를 물리적 주소로 변환한다.
• 외부 조각은 발생하지 않지만, 내부 조각은 발생할 수 있다.
• 장점 : hole들의 크기가 균일하지 않은 문제가 없다. 물리적 메모리에서 비어 있는 위치에 어떤 페이지든지 들어갈 수 있기 때문이다.
• 단점 : 주소 변환이 복잡해진다. 주소 변환을 페이지 별로 해야 한다.
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  Segmentation
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• 주소 공간을 Page 단위가 아니라 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식
• 논리적 주소는 세그먼트 번호(s)와 오프셋(d)로 구성된다. CPU가 논리 주소를 주면, 세그먼트 번호와 오프셋으로 나눈다. segment table의 시작 위치는 레지스터가 가지고 있다. 거기에서부터 세그먼트 번호에 해당하는 위치만큼 떨어진 위치에, 세그먼트가 물리적 메모리의 어떤 위치에 올라가 있는지가 있다.
• 프로그램의 주소 공간은 크게 code, data, stack으로 구성된다. 이를 각각 code/data/stack segment으로 나누어, 필요 시에 물리적 메모리의 다른 위치에 올릴 수 있다. 혹은 함수 단위로 세그먼트를 나눌 수도 있다.
• 페이징 기법의 page table의 entry에는 물리적 메모리에서의 시작 위치가 저장되어 있다. 그런데 segment table은 물리적 메모리에서의 시작 위치 외에, segment의 길이 또한 저장한다. segment는 page와 달리 길이가 가변적이기 때문이다.
• 단점 : 의미 단위로 주소 공간을 나누었으므로, 크기가 균열하지 않다. 따라서 Dynamic Storage-Allocation Problem이 발생할 수 있다.
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  Paged Segmentation
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• 세그먼트 하나를 다수의 페이지로 구성하는 방식
• 세그먼트에 대한 주소 변환을 한다. 각 프로그램이 가지고 있는 논리적 주소는 세그먼트 번호와 세그먼트 오프셋으로 구성된다. segment table을 통해 주소 변환을 하면, 바로 물리적 메모리의 시작 주소가 나오는 것이 아니라, page table의 시작 위치가 나온다.
• 세그먼트에 대한 주소 변환을 한다. 각 프로그램이 가지고 있는 논리적 주소는 세그먼트 번호와 세그먼트 오프셋으로 구성된다. segment table을 통해 주소 변환을 하면, 바로 물리적 메모리의 시작 주소가 나오는 것이 아니라, page table의 시작 위치가 나온다.
• 실제로 대부분의 segmentation은 paging 기법을 함께 사용한다.
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참고

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• 반효경 교수님 운영체제 강의

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[운영 체제]운영 체제(OS)란?
Memory
논리적 주소(가상 주소)
프로세스마다 독립적으로 가지는 주소
각 프로세스마다 0번지부터 시작
CPU가 보는 주소는 logical address
물리적 주소
메모리에 실제로 올라가는 위치
보통 메모리의 낮은 주소 영역에는 운영체제가 올라가고, 높은 주소 영역에는 사용자 프로세스가 올라간다.
주소 바인딩
프로세스의 논리적 주소를 물리적 메모리 주소로 연결하는 작업
Symbolic Address → Logical Address (바로 이 시점)→ Physical Address
Symbolic Address는 프로그래머 입장에서 사용하는 것으로, 변수 이름과 같은 형태의 주소를 말한다.
주소 바인딩의 방식은 프로그램이 적재되는 물리적 메모리의 주소가 결정되는 시기에 따라 세 가지로

Paged Segmentation

• 세그먼트 하나를 다수의 페이지로 구성하는 방식
• 세그먼트에 대한 주소 변환을 한다. 각 프로그램이 가지고 있는 논리적 주소는 세그먼트 번호와 세그먼트 오프셋으로 구성된다. segment table을 통해 주소 변환을 하면, 바로 물리적 메모리의 시작 주소가 나오는 것이 아니라, page table의 시작 위치가 나온다.
• 세그먼트에 대한 주소 변환을 한다. 각 프로그램이 가지고 있는 논리적 주소는 세그먼트 번호와 세그먼트 오프셋으로 구성된다. segment table을 통해 주소 변환을 하면, 바로 물리적 메모리의 시작 주소가 나오는 것이 아니라, page table의 시작 위치가 나온다.
• 실제로 대부분의 segmentation은 paging 기법을 함께 사용한다.

참고

• 반효경 교수님 운영체제 강의