[CS] 단편화, 세그멘테이션, 페이징(내부단편화 ,외부단편화)

jake·2022년 11월 2일

CS 세그멘테이션 페이징

CS

목록 보기

4/6

단편화

메모리 관리 기법

메모리 관리 기법은 크게 연속 메모리 관리와 불연속 메모리 관리로 나뉜다.

연속 메모리 기법

프로그램 전체가 메모리에 연속적으로 할당되어야 하는 관리 기법
고정 분할 기법 : 메모리가 고정된 파티션(길이)으로 분할 -> 필요한 용량보다 더 큰 메모리 받으면 메모리 낭비, 내부 단편화 발생
동적 분할 기법 : 파티션들이 동적 생성, 자신의 크기와 같은 파티션에 적재 -> 메모리 적재, 해제 반복하면서 틈(낭비 메모리)발생, 외부 단편화 발생

불연속 메모리 관리

프로그램의 일부가 서로 다른 주소 공간에 할당될 수 있는 기법
Page : 프로세스를 고정된 크기의 작은 블록들로 나눴을 대, 그 블록들을 페이지라 함
Frame : 페이지 크기와 같은 주 기억장치 메모리 블록
Segment : 서로 다른 크기의 논리적 단위

가상 메모리 (Virtual Mememory)

가상 메모리란 실제 메모리 크기와 관계 없이 메모리를 사용할 수 있도록 가상 메모리 주소를 사용하는 것을 뜻한다. 프로세스의 일부분만 메모리에 로드하고 나머지는 보조 기억 장치(가상 메모리 공간)에 로드한다.

MMU를 통해 논리 주소, 물리 주소를 나누어 사용하여 CPU를 속인다.
MMU = 가상 주소를 실제 메모리 주소로 변환해주는 장치

장점

실제 메모리 (RAM) 보다 더 큰 공간을 사용
가상의 주소를 사용해 논리적인 연속성을 제공
물리 메모리의 주소 공간을 몰라도 됨

Memory Fragmentation (메모리 단편화)

컴퓨터에서 어떤 프로그램을 실행할 때, 메모리의 공간을 연속적인 형태로 할당하여 사용하게 된다. 이렇게 프로그램이 메모리에 할당되고, 해제되고, 다시 새로운 프로그램이 할당되고, 해제되고를 반복하다보면 RAM에서 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져 실제로는 사용가능한 메모리가 충분히 존재하지만 할당이 불가능한 상태가 발생하게 된다.

이를 메모리 단편화(Memory Fragmentation)라 하고, 내부 단편화와 외부 단편화가 존재한다.

내부 단편화

메모리를 할당할 때 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어서 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비되는 상황을 내부 단편화라고 한다.

그림처럼 메모리를 할당하는 최소 블록 크기를 10K라 해보자. PROCESS A는 7K만 필요하므로 3K의 메모리가 낭비된다.

외부 단편화

메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복적으로 일어날 때, 할당된 메모리와 메모리 사이에 중간중간 사용하지 않는 작은 메모리가 생긴다. 작은 메모리들의 합인 총 메모리 공간은 충분하지만 실제 할당 가능한 공간은 부족하여 할당할 수 없는 상황을 외부 단편화라고 한다.

PROCESS A, PROCESS B, PROCESS C를 할당하면서 중간중간 3K, 1K, 5K 같은 작은 메모리 공간이 생겼다. 총 남은 메모리는 8K이기 때문에 PROCESS D를 할당할 수 있어야 하지만 분할하여 할당할 수 없으므로 PROCESS D를 할당할 수 없다.

단편화 해결방법

페이징(Paging)기법 - 가상 메모리 사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재

가상메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 페이지라고 하고 RAM을 페이지와 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 프레임이라고 한다. 페이징 기법이란 사용하지 않는 프레임을 페이지로 옮기고, 필요한 메모리를 페이지 단위로 프레임에 옮기는 방법을 말한다. 페이지와 프레임을 대응시키기 위해 page mapping과정이 필요해서 paging table을 만든다. 페이징 기법을 사용하면 연속적이지 않은 공간도 활용할 수 있기 때문에 외부 단편화 문제를 해결할 수 있다. 그러나 페이지 단위를 작게하면 외부 단편화 문제를 해결할 수 있지만 그 대신 page mapping과정이 많아져 효율이 떨어지게 된다.

세그멘테이션(Segmentation)기법 - 가상메모리사용, 내부 단편화 해결, 외부 단편화 존재

페이징기법에서 가상메모리를 같은 크기의 단위로 분할했지만 세그멘테이션기법에서는 가상메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위의 세그먼트로 분할한 후 메모리를 할당하여 실제 메모리 주소로 변환을 하게 된다. 각 세그먼트는 연속적인 공간에 저장되어 있다. 세그먼트들의 크기가 다르기 때문에 미리 분할해 둘 수 없고 메모리에 적재될 때 빈 공간을 찾아 할당하는 기법이다. 페이징 기법과 마찬가지로 mapping을 위해 세그먼트 테이블이 필요하다. 프로세스가 필요한 메모리 만큼 할당해주기 때문에 내부단편화는 일어나지 않으나 여전히 중간에 프로세스가 메모리를 해제하면 생기는 틈, 즉 외부 단편화 문제는 해결되지 못한다.

메모리 풀(Memory Pool)기법

필요한 메모리 공간을 필요한 크기, 개수 만큼 사용자가 직접 지정하여 미리 할당받아 놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 기법이다. 메모리 풀 없이 동적할당과 해제를 반복하면 메모리의 랜덤한(실제로는 알고리즘에 의한) 위치에 할당과 해제가 반복되면서 단편화를 일으킬 수 있겠지만 미리 공간을 할당해놓고 가져다 쓰고 반납하기 때문에 할당과 해제로 인한 외부 단편화(틈)가 발생하지 않는다. 또한 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화 또한 생기지 않는다. 하지만 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비량보다 메모리 풀을 만들었지만 쓰지 않았을 때 메모리 양이 커질 경우 사용하지 않아야 한다. 메모리의 할당, 해제가 잦은 경우에 메모리 풀을 쓰면 효과적이다. 미리 할당해놓고 사용하지 않는 순간에도 계속 할당해놓으므로 메모리 누수가 있는 방식이다.