메모리 관리
가상 메모리
가상 메모리(virtual memory)는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 하는 것을 말합니다.
이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address)라고 하며, 실제 메모리 상에 있는 주소를 실제 주소(physical address)라고 합니다. 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 됩니다.
가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리됩니다. 이때 속도 향상을 위해 TLB를 씁니다.
TLB : 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다. 페이지 테이블에 있는 리스트를
보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다. 스와핑
만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생합니다. 이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑(swapping)이라고 합니다. 이를 통해 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만듭니다.
페이지 폴트
페이지 폴트(page fault)란 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생합니다. 페이지 폴트와 그로 인한 스와핑은 다음 과정으로 이루어집니다.
1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알립니다.
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춥니다.
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾습니다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동됩니다.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화합니다.
5. 중단되었던 CPU를 다시 시작합니다.
페이지(page) : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
프레임(frame) : 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위 스레싱
스레싱(thrashing)은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래합니다.
스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생합니다. 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아집니다. CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 CPU가 한가하다고 생각하여 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 됩니다. 이와 같은 악순환이 반복되며 스레싱이 일어나게 됩니다.
이를 해결하기 위한 방법으로는 메모리를 늘리거나, HDD를 사용한다면 HDD를 SSD로 바꾸는 방법이 있습니다. 이외에 운영체제에서 해결할 수 있는 방법은 작업 세트와 PFF가 있습니다.
작업 세트
작업 세트(working set)는 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드합니다. 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있습니다.
PFF
PFF(Page Fault Frequency)는 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법입니다. 만약 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 것이죠.
메모리 할당
메모리에 프로그램을 할당할 때는 시각 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데, 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉩니다.
연속 할당
연속 할당은 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말합니다. 이는 메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변 분할 방식이 있습니다.
고정 분할 방식
고정 분할 방식(fixed partition allocation)은 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없습니다. 또한, 내부 단편화가 발생합니다.
가변 분할 방식
가변 분할 방식(variable partition allocation)은 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용합니다. 내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화는 발생할 수 있습니다.
[가변 분할 방식 종류]
- 최초적합(first fit) : 위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당합니다.
- 최적적합(best fit) : 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당합니다.
- 최악적합(worst fit) : 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 해당합니다.
내부 단편화(internal fragmentation)
: 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
외부 단편화(external gragmentation)
: 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
홀(hole)
: 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간불연속 할당
불연속 할당은 메모리를 연속적으로 할당하지 않는 것을 말하며 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 페이징 기법, 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있습니다.
페이징
페이징(paging)은 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당합니다. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해집니다.
세그멘테이션
세그멘테이션(segmentation)은 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식입니다. 공유와 보안 측면에서 장점을 가지지만 홀 크기가 균일하지 않은 단점이 있습니다.
페이지드 세그멘테이션
페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)은 프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유나 보안 측면에 강점을 두고 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 것을 말합니다.
페이지 교체 알고리즘
메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어납니다. 스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어납니다.
오프라인 알고리즘
오프라인 알고리즘(offline algorithm)은 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당되는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며, 가장 좋은 방법입니다. 그러나 미래에 사용되는 프로세스를 우리가 알 수는 없습니다.
즉, 사용할 수 없는 알고리즘이지만 가장 좋은 알고리즘이기 때문에 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 상한기준을 제공합니다.
FIFO
FIFO(First In First Out) 은 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법을 의미합니다.
LRU
LRU(Least Recentle Used)는 참조가 가장 오래된 페이지를 바꿉니다. '오래된' 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있습니다.
LRU 구현을 프로그래밍으로 구현할 때는 보통 해시 테이블과 이중 연결 리스트로 구현합니다. 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고, 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타냅니다.
NUR
LRU에서 발전한 NUR(Not Used Recently) 알고리즘입니다.
일명 clock 알고리즘이라고 하며 먼저 0과 1을 가진 비트를 둡니다. 1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미합니다. 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘입니다.
LFU
LFU(Least Frequently Used)는 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체합니다.
