[OS] Memory Management - Ⅰ

OS

Logical vs. Physical Address

• Logical address(= virtual address(가상주소) )
  • 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
  • 각 프로세스마다 0번지부터 시작
  • CPU가 보는 주소는 logical address임
    • 컴파일된 코드 상의 주소(아래그림에서 A, B의 20, 30의 주소)는 변경될 수 없기 때문에
• Physical address
  • 메모리에 실제 올라가는 위치
• 주소 바인딩 : 주소를 결정하는 것, 어떤 프로그램이 물리적인 메모리 어디에 올라갈지 메모리의 주소를 결정하는 것을 말한다.

• Symbolic address : 프로그래머가 프로그램을 만들때는 숫자 주소를 가지고 프로그래밍을 하지않는다. 프로그래머가 메모리를 사용하지만 프로그래머는 입장에서는 숫자(logical, physical)가 아닌 Symbolic address를 사용한다.

주소 바인딩

• compile time binding
  • 물리적 메모리 주소(physical address)가 컴파일 시점에 물리적인 주소가 결정됌
  • 시작 위치 변경 시 재컴파일
  • 컴파일러는 절대 코드(absolute code) 생성
• Load time binding
  • 실행이 시작될 때 주소변환이 이루어짐
  • Loader의 책임하에 물리적 메모리 주소 부여
  • 컴파일러가 재배치가능코드(relocatable code)를 생성한 경우 가능
• Run time binding
  • 수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리 상 위치를 옮길 수 있음
  • CPU가 주소를 참조할 때마다 binding을 점검(address mapping table)
  • 하드웨어적인 지원이 필요(e.g., base and limit registers, MMU)

MMU(Memory-Management Unit)

• MMU(Memory-Management Unit)
  • logical address를 physical address로 매핑해 주는 Hardware device
  • 기본적으로 MMU는 레지스터 2개를 사용하여 주소변환을 한다.
• 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.

Some Terminologies

• Dynamic Loading

  • 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load하는 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)

• Overlays

  • Dynamic Loading과 많이 유사하다.
  • 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 Loading와 Overlay의 차이점

  • Overlay는 메모리에 프로세스의 실제 필요한 정보만을 올리는 것이고 프로그래머가 코딩을 통해 하는 것이고 Dynamic Loading도 결과적으로 Overlay와 같이 필요한 정보만을 올리지만 라이브러리를 통해 하기 때문에 프로그래머가 어떻게 올리고 내리는 것을 자세히 코딩할 필요는 없다.

• Swapping

  • Swapping

    • 프로세스를 일시적으로 메모리에서 backing store(=하드디스크)로 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 binding(run time binding)에서는 추후 빈 메모리 영역 아무 곳에나 올릴 수 있음
    • swap time은 대부분 transfer time(swap되는 양에 비례하는 시간)임
      

  • Dynamic Linking

    • Linking(여러군데 존재하던 컴파일의 파일들을 묶어 하나의 실행파일을 만드는 것)을 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(eg. 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

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 partition allocation
    • Variable partition allocation
  • Noncontiguous allocation(비연속 할당) : 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있음
    • Paging
    • Segmentation
    • Paged Segmentation

Contiguous allocation

• 고정분할(Fixed partition) 방식
  • 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)로 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)
• 가변분할(Variable partition) 방식
  • 프로그램의 크기를 고려해서 할당
  • 분할의 크기, 개수가 동적으로 변함
  • 기술적 관리 기법 필요
  • Exteranl fragmentation 발생

• Exteranl fragmentation(외부 조각)
  • 프로그램 크기보다 분할의 크기가 작은 경우
  • 아무 프로그램에도 배정되지 않은 빈 곳인데도 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 배정되엇지만 사용되지 않는 공간

• Hole

  • 가용 메모리 공간
  • 다양한 크기의 hole들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있음
  • 프로세스가 도착하면 수용가능한 hole을 할당
  • 운영체제는 다음의 정보를 유지
    - a) 할당 공간 b) 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 탐색해야함
    • 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 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 많이 드는 방법
  • 최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법(매우 복잡한 문제)
  • compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행될 수 있다

본문 출처 : 운영체제 - 이화여자대학교 반효경