[OS] 메모리 관리 전략

메모리 관리 배경

각각의 프로세스는 독립된 메모리 공간을 갖고, 운영체제 혹은 다른 프로세스의 메모리 공간에 접근할 수 없는 제한이 걸려있다. 단지, 운영체제만이 운영체제 메모리 영역과 사용자 메모리 영역의 접근에 제약을 받지 않는다.

Swapping

메모리의 관리를 위해 사용되는 기법. 표준 Swapping 방식으로는 Round Robin과 같은 스케쥴링의 다중 프로그래밍 환경에서 CPU 할당 시간이 끝난 프로세스의 메모리를 보조 기억장치(e.g. 하드디스크)로 내보내고 다른 프로세스에 메모리를 할당할 수 있다.

위와 같은 과정을 Swap이라 한다. 주기억장치(RAM)으로 불러오는 과정을 Swap in, 보조기억장치로 내보내는 과정을 Swap out이라 한다. Swap에는 큰 디스크 전송시간이 필요하기 때문에 현재 메모리 공간이 부족할 때 Swapping이 시작된다.

단편화 (Fragmentation)

프로세스들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다보면 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용하지 못할 만큼의 작은 자유공간들이 늘어가게 되는데, 이것이 단편화이다. 단편화는 2가지 종류로 나뉜다.

외부 단편화

메모리 공간 중 사용하지 못하게 되는 일부분. 물리 메모리(RAM)에서 사이사이 남은 공간들을 모두 합치면 충분히 공간이 되는 부분들이 분산되어 있을 때 발생한다고 볼 수 있다.

내부 단편화

프로세스가 사용하는 메모리 공간에 포함된 남는 부분. 예를 들어 메모리 분할 자유 공간이 10,000B 있고 Process A가 9,998B 사용하게 되면 2B라는 차이가 존재하고, 이를 내부 단편화라 칭한다.

압축

외부 단편화를 해소하기 위해 프로세스가 사용하는 공간들을 한쪽으로 몰아 자유공간을 확보하는 방법론. 작업 효율이 좋진 않다. 위의 메모리 현황을 압축 작업을 하게 된다면 아래와 같이 바뀐다.

Paging (페이징)

하나의 프로세스가 사용하는 메모리 공간이 연속적이어야 한다는 제약을 없애는 메모리 관리 방법이다. 외부 단편화와 압축 작업을 해소하기 위해 생긴 방법론으로, 물리 메모리는 Frame이라는 고정 크기로 분리되어 있고, 논리 메모리(프로세스가 점유하는)는 페이지라 불리는 고정 크기의 블록으로 분리된다. (페이지 교체 알고리즘에 들어가는 페이지)

페이징 기법을 사용함으로써 논리 메모리는 물리 메모리에 저장될 때, 연속되어 저장될 필요가 없고 물리 메모리의 남는 프레임에 적절히 배치됨으로 외부 단편화를 해결할 수 있는 큰 장점이 있다.

하나의 프로세스가 사용하는 공간은 여러개의 페이지로 나뉘어서 관리되고(논리 메모리에서), 개별 페이지는 순서에 상관없이 물리 메모리에 있는 프레임에 mapping되어 저장된다고 볼 수 있다.

단점

내부 단편화의 문제 비중이 늘어난다. 예를 들어 페이지 크기가 1024B이고 Process A가 3,172B의 메모리를 요구한다면 3개의 페이지 프레임(1024 * 3 = 3072)하고도 100B가 더 필요하기에 총 4개의 페이지 프레임이 필요한 것이다. 결론적으로 4번째 페이지 프레임에는 924B(1024 - 100)의 여유공간이 남게 되는 내부 단편화 문제가 발생한다.

Segmentation (세그멘테이션)

• 프로세스들이 서로 크기가 다른 논리적인 블록 단위인 '세그먼트(Segment)'로 분할하고 메모리에서 배치되는 것을 말하며, 각 세그먼트의 크기는 일정하지 않다.
• 프로세스를 Code + Data + Stack 영역으로 나누는 것 역시 세그멘테이션의 모습이다. 물론, code, data, stack 각각 내부에서 더 작은 세그먼트로 나눌 수도 있다.
• 세그먼트를 메모리에 할당할 때는 페이지를 할당하는 것과 동일하다. 하지만, 테이블은 조금 다르다. 세그먼테이션을 위한 테이블은 세그먼트 테이블이라고 한다.
• 세그먼트 테이블은 세그먼트 번호와 시작 주소, 세그먼트 크기를 엔트리로 갖는다.
• 세그먼트에서 주소변환 역시, 페이징과 유사하다. 한가지 주의할 점은 세그먼트의 크기는 일정하지 않기 때문에 테이블에 limit 정보가 주어진다. 그리고 CPU에서 해당 세그먼트의 크기를 넘어서는 주소가 들어오면 인터럽트가 발생해서 해당 프로세스를 강제로 종료시킨다.
  

단점

서로 다른 크기의 세그먼트들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다보면, 자유 공간들이 많은 수의 작은 조각들로 나누어져 못쓰게 될 수 있다.(외부 단편화)

가상 메모리

다중 프로그래밍을 실현하기 위해서는 많은 프로세스들을 동시에 메모리에 올려두어야 한다. 가상 메모리는 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법이며, 프로그램이 물리메모리보다 커도 된다는 주요 장점이 있다.

가상 메모리 개발 배경

실행되는 코드의 전부를 물리 메모리에 존재시켜야 했고, 메모리 용량보다 큰 프로그램은 실행시킬 수 없었다. 또한, 여러 프로그램을 동시에 메모리에 올리기에는 용량의 한계와 페이지 교체 등의 성능 이슈가 발생하게 된다. 또한, 가끔만 사용되는 코드가 차지하는 메모리들을 확인할 수 있다는 점에서, 불필요하게 전체의 프로그램이 메모리에 올라와 있어야 하는 게 아니라는 것을 알 수 있다.

프로그램의 일부분만 메모리에 올릴 수 있다면...

• 물리 메모리 크기에 제약받지 않게 된다.
• 더 많은 프로그램을 동시에 실행할 수 있게 된다. 이에 따라 응답시간은 유지되고, CPU 이용률과 처리율은 높아진다.
• swap에 필요한 입출력이 줄어들기 때문에 프로그램들이 빠르게 실행된다.

가상 메모리의 역할

가상 메모리는 실제의 물리 메모리 개념과 사용자의 논리 메모리 개념을 분리한 것이라 정리할 수 있다. 이로써 작은 메모리를 가지고도 얼마든지 큰 가상 메모리 공간을 프로그래머에게 제공할 수 있다.

가상 주소 공간

• 한 프로세스가 메모리에 저장되는 논리적인 모습을 가상메모리에 구현한 공간이다. 프로세스가 요구하는 메모리 공간을 가상메모리에서 제공하므로써 현재 직접적으로 필요치 않은 메모리 공간은 실제 메모리에 올리지 않는 것으로 물리 메모리를 정햑할 수 있다.
• 예를 들어, 한 프로그램이 실행되며 논리 메모리로 100KB가 요구되었다고 하자. 하지만 실행까지의 필요한 메모리 공간(Heap 영역, Stack 영역, 코드, 데이터)의 합이 40KB라면, 실제 메모리에는 40KB만 올라가 있고, 나머지 60KB만큼은 필요시에 물리 메모리에 요구한다고 이해할 수 있다.

프로세스간의 페이지 공유

• 가상메모리는 시스템 라이브러리가 여러 프로세스들 사이에 공유될 수 있도록 한다. 각 프로세스들은 공유 라이브러리를 자신의 주소 공간에 두고 사용하는 것처럼 인식하지만, 라이브러리가 올라가 있는 물리 메모리 페이지들은 모든 프로세스에 공유되고 있다.

• 가상메모리는 프로세스들이 메모리를 공유하는 것을 가능하게 하고, 프로세스들은 공유 메모리를 통해 통신할 수 있다. 이 또한, 각 프로세스들은 각자 자신의 주소 공간처럼 인식하지만, 실제 물리 메모리는 공유되고 있다.

• 가상 메모리는 fork()를 통한 프로세스 생성 과정에서 페이지들이 공유되는 것을 가능하게 한다.

Demand Paging(요구 페이징)

프로그램 실행 시작 시에 프로그램 전체를 디스크에서 물리 메모리에 적재하는 대신, 초기에 필요한 것들만 적재하는 전략을 요구 페이징이라 하며, 가상 메모리 시스템에서 많이 사용된다. 그리고 가상 메모리는 대게 페이지로 관리된다. 요구 페이징을 사용하는 가상 메모리에서는 실행과정에서 필요해질 때 페이지들이 적재된다. 한 번도 접근되지 않은 페이지는 물리 메모리에 적재되지 않는다.

프로세스 내 개별 페이지들은 페이저(pager)에 의해 관리된다. 페이저는 프로세스 실행에 실제 필요한 페이지들만 메모리에 읽어 옴으로써, 사용되지 않을 페이지를 가져오는 시간 낭비와 메모리 낭비를 줄일 수 있다.

페이지 교체

요구 페이징에서 언급된대로 프로그램 실행시에 모든 항목이 물리 메모리에 올라오지 않기 때문에, 프로세스의 동작에 필요한 페이지를 요청하는 과정에서 page fault(페이지 부재)가 발생하게 되면, 원하는 페이지를 보조저장장치에서 가져오게 된다. 하지만, 만약 물리 메모리가 모두 사용중인 상황이라면, 페이지 교체가 이뤄줘야 한다. (또는 운영체제가 프로세스를 강제 종료하는 방법이 있다.)

기본적인 방법
물리 메모리가 모두 사용중인 상황에서의 메모리 교체 흐름이다.
1. 디스크에서 필요한 페이지의 위치를 찾는다.
2. 빈 페이지 프레임을 찾는다.

1. 페이지 교체 알고리즘을 통해 희생될(victim) 페이지를 고른다.
2. 희생될 페이지를 디스크에 기록하고, 관련된 테이블을 수정한다.
3. 새롭게 비워진 페이지 테이블 내 프레임에 새 페이지를 읽어오고, 프레임 테이블을 수정한다.
4. 사용자 프로세스 재시작

캐시의 지역성 원리

캐시 메모리는 속도가 빠른 장치와 느린 장치간의 속도차에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 범용 메모리이다. 이러한 역할을 수행하기 위해서는 CPU가 어떤 데이터를 원하는지를 어느정도 예측할 수 있어야 한다. 캐시의 성능은 작은 용량의 캐시메모리에 CPU가 이후에 참조할, 쓸모있는 정보가 어느정도 들어있느냐에 따라 좌우되기 때문이다.

이 때 적중률(Hit rate)을 극대화시키기 위해서 데이터 지역성(Locality)의 원리를 사용한다. 지역성의 전제 조건으로 프로그램은 모든 코드나 데이터를 균등하게 Access하지 않는다는 특성을 기본으로 한다. 즉, Locality란, 기억장치 내의 정보를 균일하게 Access하는 것이 아닌 어느 한 순간에 특정 부분을 집중적으로 참조하는 특성인 것이다.
이 데이터 지역성은 대표적으로 시간 지역성(Temporal Locality)과 공간 지역성(Spatial Locality)으로 나뉜다.

• 시간 지역성: 최근에 참조된 주소의 내용은 곧 다음에 다시 참조되는 특성
• 공간 지역성: 대부분의 실제 프로그램이 참조된 주소와 인접한 주소의 내용이 다시 참조되는 특성