Memory Management 1

CH9 Memory Management

Logical vs Physical Address

• Logical address(=virtual address)

  • 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
  • 각 프로세스마다 0번지부터 시작
  • CPU가 보는 주소는 logical address

• Pysical address

  • 메모리에 실제 올라가는 위치

메모리 관리와 관련된 용어

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Overlays

• 메모리에 실제 필요한 정보만을 올림
• 프로세스 크기가 메모리보다 클 때 유용
• 작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머가 구현
  • = Manual Overlay
  • 프로그래밍이 매우 복잡

Swapping

Swapping

• 프로세스를 일시적으로 메모리에서 backing store 로 쫓아내는 것

Backing store (=swap area, hard disk)

• 디스크
• 디스크 내에 파일 시스템과는 별도로 존재하는 많은 사용자의 프로세스를 담을 만큼 충분히 빠르고 큰 저장 공간이다.

Swap in / Swap out

• 디스크에서 메모리로 올리는 작업을 swap in, 메모리에서 디스크로 내리는 작업을 swap out라고 부른다.
• swap이 일어나는 과정
  • 일반적으로 중기 스케줄러가 swap out할 프로세스를 선정한다. (전체 프로세스 쫓아내는 과정)
    - 주로, 우선 순위 기반 CPU 스케줄링을 사용한다.
    - 우선 순위가 낮은 프로세스를 swap out함.
    - 우선 순위가 높은 프로세스를 swap in함.
  • 만약 컴파일 타임 바인딩 혹은 로드 타임 바인딩이 사용되고 있다면, swap out되었다가 swap in이 되면 원래 존재하던 메모리 위치로 다시 올라가야 한다.
  • 반면 런타임 바인딩이 사용되고 있다면, 추후 빈 메모리 영역 아무 곳에나 프로세스를 올릴 수 있으므로 Swapping에 적합하다.
• swap time은 디스크의 탐색 시간이나 회전 지연 시간 보다는 디스크 섹터에서 실제 데이터를 읽고 쓰는 전송 시간(transfer time)이 대부분을 차지한다.

Dynamic Linking

• Linking 을 실행시간(excution time)까지 미루는 기법

• 연결(linking)이란 프로그래머가 작성한 소스 코드를 컴파일하여 생성된 목적 파일(object file)과 이미 컴파일된 라이브러리 파일들을 묶어 하나의 실행 파일을 생성하는 과정이다.

• 동적 연결은 컴파일을 통해 생성된 목적 파일과 라이브러리 파일 사이의 연결을 프로그램의 실행 시점까지 지연하는 기법이다.

• Static linking

  • 라이브러리가 프로그램의 실행 파일 코드에 포함된다.
  • 실행 파일의 크기가 커진다.(단점)
  • 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리 낭비가 심하다. (ex. printf 함수의 라이브러리 코드)

• Dynamic linking

  • 실행 파일에 라이브러리 코드가 포함되지 않으며, 프로그램이 실행되면서 라이브러리 함수를 호출할 때가 되어서야 라이브러리에 대한 연결이 이루어진다.

  • 라이브러리가 실행시 연결됨

  • 라이브러리 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둔다.

  • 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고, 없으면 디스크에서 읽어 온다. (효율적)

  • 운영 체제의 도움이 필요하다.

Allocation of Physical Memory

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물리적 메모리는 운영체제 상주 영역과 사용자 프로세스 영역으로 나뉜다.

• OS 상주 영역 (OS 커널)
  • 인터럽트 벡터와 함께 낮은 주소 영역을 사용한다.
• 사용자 프로세스 영역
  • 높은 주소 영역을 사용한다.

사용자 프로세스 영역의 할당 방법

• Contiguous allocaton (연속 할당)
  • 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것 / 통째로 올라감
  • 고정 분할 방식과 가변 분할 방식이 존재
• Noncontiguous allocation (불연속 할당)
  • 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라가는 것 / 쪼개서 올림
  • Paging, Segmentaing, Paged Segmentation 방식이 존재

Contiguous Allocation (연속 할당)

Fixed partition 고정 분할 방식

• 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할로 나눔
• 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
• 분할당 하나의 프로그램 적재
• 융통성이 없음
  • 동시에 메모리에 load되는 프로그램의 수가 고정된
  • 최대 수행 가능 프로그램 크기 제한
  • Internal Fragmentation 발생 (External Fragmentation도 발생)

외부 조각과 내부 조각이 발생할 수 있다.

• 외부 조각
  • 프로그램의 크기보다 파티션의 크기가 작은 경우 해당 파티션이 비어있는 데도 불구하고 프로그램을 적재하지 못하기 때문에 생기는 메모리 공간을 의미한다.
  • 내가 올리려는 프로그램보다 메모리 크기가 작다.
• 내부 조각
  • 프로그램의 크기보다 파티션의 크기가 큰 경우 해당 파티션에 프로그램을 적재하고 남는 메모리 공간을 의미
  • 내가 올리려는 프로그램보다 메모리 크기가 크다.

Variable partition 가변 분할 방식

• 프로그램의 크기를 고려해서 할당
• 분할의 크기, 개수가 동적으로 할당
• 기술적 관리 기법 필요
• External Fragmentation 발생

Hole

• 가용 메모리 공간
• 다양한 크기의 hole 들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있음
• 프로세스가 도착하면 수용가능한 hole을 할당
• 운영체제는 다음 정보 유지
  1) 할당 공간
  2) 가용 공간(hole)

Dynamic Storage Allocation Problem

가변 분할 방식에서 Size n인 요청을 만족하는 가장 적절한 hole을 찾는 문제

• First - fit

  • Size가 n이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당

• Best - fit

  • Size가 n 이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당
  • Hole들의 리스트가 크기순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole의 리스트를 탐색해야함
  • 많은 수의 아주 작은 hole들이 생성됨

• Worst - fit

  • 가장 큰 hole에 할당
  • 역시 모든 리스트를 탐색해야 함
  • 상대적으로 아주 큰 hole들이 생성됨

실험적으로 first-fit이나 best-fit이 worst-fit보다 속도와 공간 이용을 측면에서 효과적인 것으로 알려짐

Compaction Allocation

• External Fragmentation 문제를 해결하는 한가지 방법
• 사용 중인 메모리 영역을 한군데로 몰고 hole들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
• 매우 비용이 많이 드는 방법임
• 최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법 (복잡)
• Compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 실시할 수 있다.
• 런타임 바인딩이 지원되어야지만 Compaction을 할 수 있다.

Paging

• Process의 Virtual Memory를 동일한 사이즈의 page 단위로 나눔

• Virtual Memory의 내용이 Page 단위로 noncontiguous하게 저장됨

• 일부는 backing Storage에 일부는 physical memory에 저장

Basic Method

• 물리 주소를 동일한 크기의 프레임으로 나눔
• 논리 메모리를 동일 크기의 페이지로 나눔
• 모든 가용 프레임들을 관리
• 페이지 테이블을 사용하여 논리주소를 물리주소로 변환
• 외부 단편화 발생 안함
• 내부 단편화 발생 가능 -> 프로그램의 크기가 반드시 페이지크기의 배수가 된다는 보장이 없기때문임.