운영체제 - 메모리

BinaryWoo_dev·2023년 3월 17일

CS 메모리 운영체제

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메모리 계층

메모리 계층은 레지스터, 캐시(L1,L2), 메모리(RAM), 저장장치(HDD/SDD)로 구성된다.

속도 : 레지스터 > 캐시 > 메모리 > 저장장치
용량 : 레지스터 < 캐시 < 메모리 < 저장장치

캐시(cache)

: 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.
실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결한다. 이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층 이라고 한다.

지역성의 원리

만약 캐시 계층을 두는 것이 아닌 직접 캐시를 설정해야할 경우, 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 한다. 자주 사용하는 데이터에 대한 근거가 되는 것은 지역성인데 이는 시간 지역성과 공간 지역성으로 나뉜다.

시간 지역성 : 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 뜻함.
공간 지역성 : 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간 이나 그 가까운 공간에 접근하려는 특성을 뜻함.

캐시히트와 캐시미스

캐시히트 : 캐시에서 원하는 데이터를 찾은 상황. CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 속도가 빠름.
캐시미스 : 캐시에 원하는 데이터가 없어서 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 상황. 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 속도가 느림.

캐시매핑

캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며 종류는 직접 매핑 | 연관 매핑 | 집합 연관 매핑이 있다.

웹 브라우저의 캐시

소프트웨어적인 대표적 캐시로는 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지 가 있다. 이러한 것들은 보통 사용자의 커스텀 정보, 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버 요청 시 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰인다.

쿠키 : 만료기한이 있는 키-값 저장소이다. 쿠키 설정 시 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 설정하는 것이 중요하다.
로컬 스토리지 : 만료기한이 없는 키-값 저장소이다. 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장 및 생성된다. HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없다.
세션 스토리지 : 만료기한이 없는 키-값 저장소이다. 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다. HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없다.

데이터베이스의 캐싱 계층

데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터베이스 계층을 '캐싱 계층'으로 둬서 성능을 향상시키기도 한다.

메모리 관리

가상 메모리

메모리 관리 기법 중 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것.
가상 메모리는 가상주소와 실제주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 '페이지 테이블'로 관리되는데, 이 때 속도 향상을 위해 *TLB를 사용한다.

TLB : 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시. 
      페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하여 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 
      캐시 계층이다.

스와핑

당장 사용하지 않는 가상 메모리 영역을 하드디스크로 옮겨 필요할 때 다시 RAM으로 불러와 올리고, 사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여 RAM을 효과적으로 관리하는 것.
(페이지 폴트를 방지하기 위함.)

페이지 폴트(page fault)

프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생한다.

페이지 : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
프레임 : 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

스레싱

메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.

이를 해결하기 위해 아래와 같은 방법들이 있다.

메모리 증설
HDD 사용할 경우, SDD로 대체
운영체제에서 작업 세트 또는 PFF 사용

작업 세트

프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것. 미리 메모리에 로드하면 탐색 비용을 줄일 수 있기 때문에 스와핑 또한 줄일 수 있다.

PFF(Page Fault Frequency)

페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만든다.
상한선에 도달한다면 페이지를 늘리고 하한선에 도달한다면 페이지를 줄인다.

메모리 할당

메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하며 연속 할당 과 불연속 할당으로 나뉜다.

연속 할당

메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말하며, 고정 분할방식과 가변 분할 방식이 있다.

고정 분할 방식 : 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식. 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없으며, *내부 단편화가 발생할 수 있음.
가변 분할 방식 : 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적을 메모리를 나눠 사용하는 방식. *외부 단편화가 발생할 수 있음.
```
	내부 단편화: 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
```
외부 단편화: 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상. 예를 들어 100MB 를 55MB, 45MB로 나눴지만 프로그램의 크기는 70MB일 때 들어가지 못하는 것.

불연속 할당

메모리를 연속적으로 할당하지 않는 것을 말하며, 현대 운영체제가 쓰는 방법이다.

페이징 : 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당하는 것
세그멘테이션 : 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식.
페이지드 세그멘테이션 : 공유나 보안을 위미 단위의 세그먼트로 나누고 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것.

페이지 교체 알고리즘

오프라인 알고리즘

먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며, 가장 추천하는 방법이다.

FIFO(First In First Out)

가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법.

LRU(Least Recentle Used)

참조가 가장 오래된 페이지를 바꾸는 것.

LFU(Least Frequently Used)

가장 참조 횟수가 적은 페이지를 바꾸는 것.

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