프로세스 동기화
프로세스가 서로 협력하며 공유 자원을 사용하는 상황에서, 경쟁 조건이 발생하면 공유 자원을 신뢰할 수 없게 만들 수 있는데 이를 방지하기 위해 프로세스들이 공유 자원을 사용할 때 특별한 규칙을 만드는 것이 프로세스 동기화이다.
- 경쟁 조건 (Race Condition) : 여러 프로세스(또는 스레드)가 공유 자원에 동시에 접근할 때, 공유 자원에 대한 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라질 수 있는 상황
- 임계 구역 (Critical Section) : 여러 프로세스(또는 스레드)가 자원을 공유하는 상황에서, 하나의 프로세스(스레드)만 접근할 수 있도록 제한해둔 코드 영역
임계 구역 문제의 해결 조건
- 상호 배제 (Mutual Exclusion) : 어떤 프로세스(또는 스레드)가 임계 구역에서 작업 중일 때, 다른 프로세스는 임계 구역으로 접근할 수 없다.
- 진행 (Progress) : 임계 구역에서 작업 중인 프로세스가 없다면, 임계 구역으로 진입하려는 프로세스 중 하나를 적절히 선택하여 임계 구역에 진입할 수 있게 해야 한다.
- 유한 대기 (Bounded Waiting) : 다른 프로세스의 기아(Starvation)을 방지하기 위해, 임계 구역에 한 번 접근했던 프로세스는 다시 임계 구역에 들어갈 때 제한을 두어야 한다.
해결책
- 하드웨어의 동기화 방법 Lock
프로세스가 락을 획득해야만 임계 구역에 진입할 수 있고, 임계 구역을 벗어나면 락을 반납하여, 임계 구역 문제를 해결한다. - 소프트웨어의 동기화 방법 Semaphores(세마포)
멀티프로세스 환경에서는 시간적인 효율성 측면에서 적용할 수 없기 때문에 소프트웨어상에서 Critical Section 문제를 해결하기 위한 동기화 도구이고 종류에는 카운팅 세마포와 이진 세마포가 있다.
모니터
고급 언어의 설계 구조물로서, 개발자의 코드를 상호배제 하게끔 만든 추상화된 데이터 형태이다. 공유자원에 접근하기 위한 키 획득과 자원 사용 후 해제를 모두 처리한다. (세마포어는 직접 키 해제와 공유자원 접근 처리가 필요하다. )
메모리 관리 전략
메모리는 중요한 작업공간이고 한정된 메모리를 멀티 프로그래밍 환경에서 사용하기 위해서는 메모리의 효율적인 관리가 필요하다. 이러한 메모리 관리를 위해 메모리 관리자가 존재하고 메모리 관리 장치MMU와 OS관리 모듈과 함께 진행한다.
- wapping : 메모리의 관리를 위해 사용되는 기법. 표준 Swapping 방식으로는 round-robin 과 같은 스케줄링의 다중 프로그래밍 환경에서 CPU 할당 시간이 끝난 프로세스의 메모리를 보조 기억장치(e.g. 하드디스크)로 내보내고 다른 프로세스의 메모리를 불러 들일 수 있다. 이 과정을 swap (스왑시킨다) 이라 한다. 주 기억장치(RAM)으로 불러오는 과정을 swap-in, 보조 기억장치로 내보내는 과정을 swap-out 이라 한다. swap 에는 큰 디스크 전송시간이 필요하기 때문에 현재에는 메모리 공간이 부족할때 Swapping 이 시작된다.
- 단편화 (Fragmentation) : 프로세스들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다보면, 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용 하지 못할 만큼의 작은 자유공간들이 늘어나게 되는데, 이것이 단편화 이다. 단편화는 외부,내부단편화 두 가지고 나뉜다.
- 압축 : 외부 단편화를 해소하기 위해 프로세스가 사용하는 공간들을 한쪽으로 몰아, 자유공간을 확보하는 방법론 이지만, 작업효율이 좋지 않다.
Paging(페이징)
하나의 프로세스가 사용하는 메모리 공간이 연속적이어야 한다는 제약을 없애는 메모리 관리 방법이다. 외부 단편화와 압축 작업을 해소 하기 위해 생긴 방법론으로, 물리 메모리는 Frame 이라는 고정 크기로 분리되어 있고, 논리 메모리(프로세스가 점유하는)는 페이지라 불리는 고정 크기의 블록으로 분리된다. 페이징 기법을 사용함으로써 논리 메모리는 물리 메모리에 저장될 때, 연속되어 저장될 필요가 없고 물리 메모리의 남는 프레임에 적절히 배치됨으로 외부 단편화를 해결할 수 있지만 내부 단편화 문제의 비중이 늘어나게 된다.
Segmentation(세그멘테이션)
페이징에서처럼 논리 메모리와 물리 메모리를 같은 크기의 블록이 아닌, 서로 다른 크기의 논리적 단위인 세그먼트(Segment)로 분할 사용자가 두 개의 주소로 지정(세그먼트 번호 + 변위) 세그먼트 테이블에는 각 세그먼트의 기준(세그먼트의 시작 물리 주소)과 한계(세그먼트의 길이)를 저장한다. 하지만 서로 다른 크기의 세그먼트들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다 보면, 자유 공간들이 많은 수의 작은 조각들로 나누어져 못 쓰게 될 수도 있다.(외부 단편화)
메모리 관련 정책
디스크에서 메모리로 프로세스를 언제 가져와야 할지를 정하는 적재 정책과 디스크에서 메모리로 가져온 프로세스를 어느 위치에 저장 할 것인지 정하는 배치 정책, 메모리가 충분하지 않을 때 현재 메모리에 적재된 프로세스 중 제거할 프로세스를 결정하는 방법인 대치 정책이 있다.
가상 메모리
다중 프로그래밍을 실현하기 위해서는 많은 프로세스들을 동시에 메모리에 올려두어야 한다. 가상메모리는 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법 이며, 프로그램이 물리 메모리보다 커도 된다는 주요 장점이 있다.가상 메모리는 실제의 물리 메모리 개념과 사용자의 논리 메모리 개념을 분리한 것으로 정리할 수 있다. 이로써 작은 메모리를 가지고도 얼마든지 큰 가상 주소 공간을 프로그래머에게 제공할 수 있다.
캐시의 지역성
캐시(cache) : 데이터나 값을 미리 복사해 놓는 임시 장소
캐시의 지역성 원리
캐시 메모리는 속도가 빠른 장치와 느린 장치간의 속도차에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 범용 메모리이다. 이러한 역할을 수행하기 위해서는 CPU 가 어떤 데이터를 원할 것인가를 어느 정도 예측할 수 있어야 한다. 캐시의 성능은 작은 용량의 캐시 메모리에 CPU 가 이후에 참조할, 쓸모 있는 정보가 어느 정도 들어있느냐에 따라 좌우되기 때문이다. 이 때 적중율(Hit rate)을 극대화 시키기 위해 데이터 지역성(Locality)의 원리를 사용한다. 지역성의 전제조건으로 프로그램은 모든 코드나 데이터를 균등하게 Access 하지 않는다는 특성을 기본으로 한다. 즉, Locality란 기억 장치 내의 정보를 균일하게 Access 하는 것이 아닌 어느 한 순간에 특정 부분을 집중적으로 참조하는 특성인 것이다.데이터 지역성은 대표적으로 시간 지역성(Temporal Locality)과 공간 지역성(Spatial Locality)으로 나뉜다.
- 시간 지역성(Temporal Locality) : 최근에 참조된 주소의 내용은 곧 다음에 다시 참조되는 특성
- 공간 지역성(Spatial Locality) : 대부분의 실제 프로그램이 참조된 주소와 인접한 주소의 내용이 다시 참조되는 특성
Caching line
캐시(cache)는 프로세서 가까이에 위치하면서 빈번하게 사용되는 데이터를 놔두는 장소이다. 하지만 캐시가 아무리 가까이 있더라도 찾고자 하는 데이터가 어느 곳에 저장되어 있는지 몰라 모든 데이터를 순회해야 한다면 시간이 오래 걸리게 된다. 즉, 캐시에 목적 데이터가 저장되어 있다면 바로 접근하여 출력할 수 있어야 캐시가 의미 있어진다는 것이다. 그렇기 때문에 캐시에 데이터를 저장할 때 특정 자료구조를 사용하여 묶음으로 저장하게 되는데 이를 캐싱 라인 이라고 한다. 프로세스는 다양한 주소에 있는 데이터를 사용하므로 빈번하게 사용하는 데이터의 주소 또한 흩어져 있다. 따라서 캐시에 저장하는 데이터에는 데이터의 메모리 주소 등을 기록해 둔 태그를 달아놓을 필요가 있다. 이러한 태그들의 묶음을 캐싱 라인이라고 하고 메모리로부터 가져올 때도 캐싱 라인을 기준으로 가져온다. 종류로는 대표적으로 세 가지 방식이 존재한다. Full Associative, Set Associative, Direct Map
