cho-light
메모리 관리 본문
운영체제의 대표적인 할 일 중 하나가 메모리관리.
컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야 한다.
가상 메모리
가상메모리는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말함.
가상적으로 주어진 주소를 가상 주소라고 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소라고 한다.
가상주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를
의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 된다.
가상 메모리는 가상주소와 실제주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리된다.
이때 속도 향상을 위해 TLB를 쓴다.
- TLB
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을위한 캐시이다. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다.
스와핑
만약 가상 메모리는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다.
이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라고 한다. 이를 통해 마치 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만든다.
페이지 폴트
페이지 폴트란 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생.
페이지폴트와 그로 인한 스와핑은 다음 과정으로 이루어진다.
- CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알림.
- 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춤.
- 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인, 없으면 중단하고 현재 물리메모리에 비어있는 프레임이 있는지 찾는다. 물리 메모리에도 없으면 스와핑이 발동.
- 비어있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화한다.
- 중단되었던 CPU를 다시 시작.
스레싱
스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.
스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것이다.
페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다. CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 CPU의 이용률이 적다고 생각하여 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다. 이와 같은 악순환이 반복되며 스레싱이 일어나게 된다.
이를 해결하기 위한 방법으로는 메모리를 늘리거나, HDD를 사용한다면 HDD를 SSD로 교체하는 방법이 있다.
이외에 운영체제에서 이를 해결할 수 있는 방법은 작업 세트와 PFF가 있다.
- 작업세트
작업세트는 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것이다. 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있다.
- PFF
페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법이다.
만약 상한선에 도달하면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 것이다.
메모리 할당
메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데, 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.
연속할당
연속할당은 메모리에 '연속적으로' 공간을 할당하는 것을 말한다.
위 그림처럼 프로세스 A, B, C가 순차적으로 공간에 할당하는 것을 볼 수 있다.
이는 메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는
가변 분할 방식이 있다.
| 고정 분할 방식 고정 분할 방식은 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없다. 또한, 내부 단편화가 발생한다. 가변 분할 방식 가변 분할 방식은 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다. 내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화는 발생할 수 있다. 이는 최초적합, 최적적합, 최악적합이 있다. |
불연속 할당
메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 불연속 할당인 페이징 기법이 있다.
메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것이다. 페이징 기법 말고도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다.
