요약
OS의 메모리 관리는 프로그램을 안전하고 효율적으로 실행하기 위해 필요
현대 OS는 logical, physical 주소를 분리하고 바인딩과 MMU를 통해 주소를 동적으로 변환함
CPU는 디스크에 있는 프로그램을 직접 실행할 수 없다.
반드시 메모리(RAM)에 올라와야 실행 가능
- 여러 프로그램이 동시에 실행됨
- 메모리 크기는 제한됨
- 한 프로그램이 다른 프로그램의 메모리를 건드리면 시스템 전체가 위험해짐
이 문제를 해결하기 위해 OS는 다음을 보장해야 한다.
- 각 프로세스는 자기 메모리만 접근
- 메모리는 유연하게 이동 가능
- 불필요한 코드·라이브러리는 필요할 때만 사용
이 요구사항의 해답이 바로 메모리 관리다.
주요 개념 설명
1. Logical Address vs Physical Address
CPU는 실제 메모리 주소를 직접 다루지 않는다.
-
Logical Address
→ 프로그램이 보는 주소 (0부터 시작) -
Physical Address
→ 실제 RAM의 주소
이 둘을 분리하는 이유는 안전성과 유연성 때문이다.
CPU ──(Logical Address)──▶ MMU ──▶ Physical Memory2. MMU (Memory Management Unit)
MMU는 하드웨어다.
모든 메모리 접근은 반드시 MMU를 통과한다.
MMU의 핵심 역할:
Physical Address = Base + Logical Address그리고 동시에 보호 검사를 수행한다.
3. 메모리 보호 (Protection)
각 프로세스는 두 개의 값만 알고 있다.
- Base : 시작 주소
- Limit : 사용 가능한 크기
접근 조건:
0 ≤ Logical Address < Limit하나라도 어기면 즉시 trap (강제 종료)
[Process A]
Base = 20000
Limit = 6000
Logical = 5000
→ Physical = 25000 (허용)
Logical = 7000
→ Limit 초과 → Trap핵심 개념:
OS는 주소 변환 + 보호를 동시에 처리한다.
4. 주소 바인딩 (Address Binding)
“주소가 언제 확정되는가?”
(1) Compile-Time Binding
- 컴파일 시 절대 주소 고정
- 위치 변경 불가
- 현대 OS에서는 거의 사용 ❌
(2) Load-Time Binding
- 로딩 시 한 번만 주소 조정
- 실행 중 이동 불가
(3) Execution-Time Binding ⭐
- 실행 중에도 주소 변경 가능
- 스와핑, 페이징 필수 조건
- 현대 OS의 표준
Logical Address ≠ Physical Address
→ 매 접근마다 MMU 변환5. Dynamic Loading
프로그램 전체를 메모리에 올릴 필요 없음
실제 호출되는 함수(루틴)만 올림
메모리 낭비를 줄이고 더 많은 프로세스를 수용 가능
➡ 프로그램 전체가 메모리에 있을 필요는 없다.
6. Dynamic Linking
라이브러리를 실행 파일에 포함하지 않는다.
- 실행 중 필요한 라이브러리를 연결
- 공통 라이브러리 공유 가능
Static vs Dynamic Linking
| 구분 | Static | Dynamic |
|---|---|---|
| 포함 시점 | 컴파일 | 실행 |
| 실행 파일 크기 | 큼 | 작음 |
| 메모리 효율 | 낮음 | 높음 |
| 라이브러리 공유 | 불가 | 가능 |
7. 스와핑과 단편화
여러 프로그램이 실행되면 메모리가 군데군데 비게(fragmentation) 됨
큰 프로그램을 올릴 공간이 부족해짐
→ 따라서 프로그램을 다른 위치로 옮기거나 스왑아웃해 정리할 필요가 있음
[ A ][ 빈 ][ B ][ 빈 ][ C ]스와핑(Swapping) 과정:
프로세스 A를 디스크로 내림 (swap out)
다른 프로세스 B를 메모리로 올림 (swap in)
주소 바인딩이 execution time일 때만 위치 변경 가능
“왜 Logical Address가 필요한가?”
→ 보호, 이동성, 동시 실행 때문
헷갈리기 쉬운 개념 정리
주소 바인딩 vs 링킹
- 주소 바인딩: 주소가 언제 확정되나
- 링킹: 외부 코드(라이브러리)를 언제 결합하나
- 메모리 관리는 안전 + 효율의 문제다
- 이를 위해 주소를 추상화하고(MMU), 실행 중 변환한다
- 현대 OS는 Execution-Time Binding 위에서 동작한다
메모리는 한정된 자원이다.
운영체제는 동시에 실행되는 여러 프로세스에게 메모리를 안전하고 효율적으로 분배해야 한다.
초기의 접근 방식은 단순했다.
“프로세스 하나당, 연속된 메모리 덩어리 하나”
이 방식은 구현이 쉽지만, 시간이 지날수록 메모리를 잘 쓰지 못하는 구조적 문제를 드러냈다.
이 문제를 해결해 나가는 과정이 바로 메모리 관리 기법의 발전사다.
1. 연속 할당 (Contiguous Memory Allocation)
기본 아이디어
하나의 프로세스는 연속된 물리 메모리 영역을 통째로 할당받는다.
[ OS ][ P1 ][ P2 ][ Free ][ P3 ]각 프로세스는 두 값만 알면 된다.
- Base: 시작 주소
- Limit: 사용 가능한 크기
주소 변환도 단순하다.
Physical Address = Base + Logical Address2. Free List와 할당 전략
프로세스가 종료되면 해당 영역은 Free List로 반환된다.
문제는 시간이 지나면서 Free List가 여러 크기의 조각으로 나뉜다는 점이다.
이때 어디에 프로세스를 배치할지를 정하는 전략이 필요하다.
대표적인 전략
-
First Fit
→ 처음으로 들어갈 수 있는 공간
→ 빠르고 실용적, 실제로 가장 많이 사용됨 -
Best Fit
→ 가장 딱 맞는 공간
→ 낭비는 줄지만, 작은 조각이 많이 남음 -
Worst Fit
→ 가장 큰 공간
→ 이론적 의미는 있으나 실무 성능은 낮음
3. 연속 할당의 한계: 단편화
외부 단편화 (External Fragmentation)
메모리를 전부 합치면 충분한데
연속된 공간이 없어 프로세스를 올릴 수 없는 상황.
내부 단편화 (Internal Fragmentation)
이미 할당된 블록 내부에서 남는 공간.
임시 해결책: Compaction
메모리를 한쪽으로 몰아 연속 공간을 만드는 방식.
하지만 실행 중인 프로세스를 이동해야 하므로 비용이 매우 크다.
👉 여기서 자연스럽게 요구되는 조건이 있다.
Execution-time Binding
= 실행 중에도 주소를 바꿀 수 있어야 한다.
4. Paging: 구조적인 해결책
연속 할당의 문제는 “연속이어야 한다”는 가정에서 시작된다.
Paging은 이 가정을 완전히 깨버린다.
핵심 아이디어
- 논리 메모리 → Page
- 물리 메모리 → Frame
- 크기는 동일 (보통 4KB)
프로그램은 연속된 것처럼 보이지만,
실제로는 메모리 곳곳에 흩어져 배치된다.
5. Paging 주소 변환 구조
논리 주소는 두 부분으로 나뉜다.
[ Page Number | Offset ]동작 흐름:
- CPU가 논리 주소 생성
- Page Number → Page Table 인덱스
- Frame Number 획득
- Frame + Offset → Physical Address
➡ 외부 단편화는 완전히 사라진다.
6. Paging의 비용: Page Table 문제
Paging은 메모리를 아끼는 대신 관리 비용을 낳는다.
예를 들어:
- 32bit 주소
- Page size = 4KB
→ Page Table 엔트리 약 100만 개
→ 프로세스 하나당 수 MB의 메타데이터 필요
이 자체가 또 다른 낭비다.
7. TLB: 성능을 되찾다
Page Table은 메모리에 있다.
즉, 주소 변환을 위해 메모리를 한 번 더 접근해야 한다.
이를 해결하기 위해 등장한 것이 TLB (Translation Lookaside Buffer)다.
TLB의 역할
- CPU 내부에 존재하는 초고속 캐시
- (Page → Frame) 매핑을 저장
- Hit 시 Page Table 접근 생략
8. TLB가 성능에 미치는 영향
TLB hit rate가 높아질수록
주소 변환 비용은 메모리 접근 1회 수준으로 수렴한다.
TLB 없는 Paging이 느리다
- 연속 할당은 단순하지만 단편화에 취약
- Paging은 외부 단편화를 근본적으로 제거
- 내부 단편화는 존재하지만 비용은 제한적
- Page Table의 오버헤드는 TLB로 상쇄
- 현대 OS 메모리 관리 = Paging + TLB
헷갈리기 쉬운 부분
Compaction vs Paging
- Compaction: 사후 처리, 비용 큼
- Paging: 설계 단계에서 해결
Logical Address ≠ Physical Address
- 프로그램은 항상 논리 주소만 본다
- 실제 위치는 OS + 하드웨어가 결정
