[운영체제] 8. Memory Management (1)

somi·2023년 8월 28일
운영체제

[CS] 운영체제

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Logical vs. Physical Address

  • Logical addrss(=virtual address)
    • 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
    • 각 프로세스마다 0번지부터 시작
    • CPU가 보는 주소는 logical address임
  • Physical address
    • 메모리에 실제 올라가는 위치

주소 바인딩: 주소를 결정하는 것
Symbolic Address (숫자가 아닌 symbol로 된 address ) → Logical Address → Physical address

  • Compile time binding - 컴파일 시

    • 물리적 메모리 주소(physical address)가 컴파일 시 알려짐
    • 시작 위치 변경시 재컴파일, 컴파일을 다시 해야한다. → 그래야만 위치를 바꿀 수있음.
    • 컴파일러는 절대코드 (absolute code) 생성
    • 미리 결정되기 때문에 비효율적

  • Load time binding - 실행 시작되서 메모리에 올라갈 때

    • Loader의 책임하에 물리적 메모리 주소 부여
    • 컴파일러가 재배치가능코드(relocate code)를 생성한 경우 가능

  • Execution time binding(=Run time binding)

    • 수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리 상 위치를 옮길 수있음
    • CPU가 주소를 참조할 때 마다 binding을 점검(address mapping table)
    • 하드웨어적인 지원이 필요 (e.g base and limit registers, MMU)

    주소변환 지원해주는 하드웨어 : Memory-Management Unit(MMU)

  • MMU(Memory-Management Unit)

    • 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.

  • 운영체제 및 사용자 프로세스 간의 메모리 보호를 위해 사용하는 레지스터
  • Relocation register(=base register) : 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최소값
  • Limit register: 논리적 주소값의 범위
    • 넘어가면 trap - 일종의 인터럽트

Some Terminologies

  • Dynamic Loading - 필요할 때 마다 로딩

    • 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load 하는 것

    • memory utilization의 향상

    • 가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용

      • 예: 오류 처리 루틴

    • 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능 (OS는 라이브러리를 통해 지원 가능) - 프로그래머가 알아서 하는것도 + 운영체제가 알아서 하는 것도 이렇게 표현

      Loading : 메모리로 올리는 것

  • Overlays
    - 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올림
    - 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용
    - 운영체제의 지원없이 사용자에 의해 구현
    - 작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머가 구현
    - Manual Overlay
    - 프로그래밍이 매우 복잡
  • Dynamic Linking
    • Linking을 실행 시간(execution time)까지 미루는 기법
    • Static linking
      • 라이브러리가 프로그램의 실행 파일 코드에 포함됨
      • 실행 파일의 크기가 커짐
      • 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리 낭비(e.g printf 함수의 라이브러리 코드)
    • Dynamic linking
      • 라이브러리가 실행시 연결(link)됨
      • 라이브러리 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둠
      • 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고 없으면 디스크에서 읽어옴
      • 운영체제의 도움이 필요
      • shared library
      • 쉽게 설명하면, 위치를 찾는 코드만 들어있는 것이다.
  • Swapping
    프로세스를 일시적으로 메모리에서 backing store로 쫓아내는 것
  • Backing store(=swap area)
    • 디스크
      • 많은 사용자의 프로세스 이미지를 담을 만큼 충분히 빠르고 큰 저장 공간
  • Swap in / Swap out
    • 일반적으로 중기 스케줄러(swapper)에 의해 swap out 시킬 프로세스 선정
    • priority-based CPU scheduling algorithm
      • priority가 낮은 프로세스를 swapped out 시킴
      • priority가 높은 프로세스를 메모리에 올려 놓음
    • Compile time 혹은 load time binding에서는 원래 메모리 위치로 swap in 해야 함
    • Execution time binding에서는 추후 빈 메모리 영역 아무 곳에나 올릴 수 있음 - run time binding이 더 효율적
    • swap time은 대부분 transfer time(swap되는 양에 비례하는 시간임)

프로그램 전체가 쫓겨나는 것 - swapping

일부 페이지만 쫓겨나는 것도 swap out이라는 표현을 쓰기도 하지만, 원칙적으로는 프로그램 주소공간 전부가 쫓겨나는 것.

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 방법
    • Contiguous allocation(연속 할당)
      • 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것
      • Fixed partion allocation
      • Variable partion allocation
    • Noncontiguous allocation(불연속 할당)
      • 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있음
      • Paging
      • Segmentation
      • Paged Segmentation

Contiguous Allocation

  • 고정 분할(Fixed partion) 방식
    • 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)으로 나눔
    • 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
    • 분할당 하나의 프로그램 적재
    • 융통성이 없음
      • 동시에 메모리에 load되는 프로그램의 수가 고정됨
      • 최대 수행 가능 프로그램 크기 제한
    • Internal fragmentation 발생 (external fragmentation도 발생)
  • 가변 분할(Variable partition) 방식
    • 프로그램의 크기를 고려해서 할당
    • 분할의 크기, 개수가 동적으로 변함
    • 기술적 관리 기법 필요
    • External fragmentation 발생

External Fragmentation(외부 조각)

  • 프로그램 크기보다 분할의 크기가 작은 경우
  • 아무 프로그램에도 배정되지 않은 빈 곳 인데도 프로그램이 올라갈 수 없는 작은 분할

Internal Fragmentation(내부 조각)

  • 프로그램 크기보다 분할의 크기가 큰 경우
  • 하나의 분할 내부에서 발생하는 사용되지 않는 메모리 조각
  • 특정 프로그램에 배정되었지만 사용되지 않는 공간

Hole

  • 가용 메모리 공간
  • 다양한 크기의 hole들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있음
  • 프로세스가 도착하면 수용가능한 hole을 할당
  • 운영체제는 다음의 정보를 유지
    • 1) 할당 공간 2) 가용 공간(hole)

Dynamic Storage-Allocation Problem

: 가변 분할 방식에서 size n인 요청을 만족하는 가장 적절한 hole을 찾는 문제

  • First-fit
    • Size가 n이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당
  • Best-fit
    • Size가 n이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당
    • Hole들의 리스트가 크기순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole의 리스트를 탐색해야 함
    • 많은 수의 아주 작은 hole들이 생성됨
  • Worst-fit
    • 가장 큰 hole에 할당
    • 역시 모든 리스트를 탐색해야 함
    • 상대적으로 아주 큰 hole들이 생성됨

First-fit과 best-fit이 worst-fit보다 속도와 공간 이용률 측면에서 효고적인 것으로 알려짐( 실험적인 결과)

Compaction

  • External Fragmentation 문제를 해결하는 한 가지 방법
  • 사용 중인 메모리 영역을 한군데롤 몰고 hole들을 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
  • 매우 비용이 많이 드는 방법임
  • 최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법 (매우 복잡한 문제)
  • compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행할 수있다.

불연속 할당
→ 주소 변환이 복잡해진다는 단점
=> 주소 변환을 페이지별로 해야할 것

페이징 - 주소 공간을 같은 크기의 페이지로 자르는 것
세그멘테이션 - 주소 공간을 의미있는 단위로 자르는 것

Paging

  • Process의 virtual memory를 동일한 사이즈의 page 단위로 나눔
  • Virtual memory의 내용이 page 단위로 noncontiguous하게 저장됨
  • 일부는 backing store에, 일부는 physical memory에 저장

Basic method

  • Physical memory를 동일한 크기의 frame으로 나눔
  • logical momory를 동일 크기의 page로 나눔(frame과 같은 크기)
  • 모든 가용 frame들을 관리
  • page table을 사용하여 logical address를 physical address로 변환
  • External fragmentation 발생 안함
  • Internal fragmentation 발생 가능
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