[메모리 관리]

운영체제가 대표적인 할 일 중 하나가 메모리 관리다. 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 효율적으로 사용해야하는 것이다.

가상메모리는 메모리 관리 기법 중 하나이다. 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용자에게 큰 메모리처럼 보이게 만드는 것이다.

가상 메모리는 '페이지 테이블'로 관리된다. 속도 향상을 위해 TLB를 사용한다.

페이지 테이블 : 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있다.
- 가상 주소 : 가상적으로 주어진 주소
- 실제 주소: 실제 메모리 상에 있는 주소
TLB: CPU와 메모리 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐싱 계층이다. 페이지 테이블 리스트를 보관하여 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시켜준다.

가상 주소는 메모리관리장치(MMC)에 의해 실제 주소로 변환된다. 이를 통해 사용자는 실제 주소를 의식하지 않고 프로그램을 구축할 수 있다.

스와핑과 페이지 폴트

페이지 폴트(page fault) : 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리에는 존재하지 않는 데이터나 값에 접근하려는 경우

스와핑 : 페이지 폴트 발생 시 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 메모리처럼 사용하여 페이지 폴트가 발생하지 않은 것처럼 보이게 하는 것
다음과 같은 과정으로 이루어진다.

CPU가 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없을 경우 트랩을 발생시켜 운영체제에 알린다.
운영체제가 CPU의 동작을 잠시 멈춘다.
운영체제가 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고 프로세스를 중단시킨다. 물리 메모리에도 프레임이 있는지 찾고 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동한다.
비어있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 없데이트한다.
중단되었던 CPU를 다시 작동시킨다.

* 페이지 : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
* 프레임 : 물리 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

메모리의 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 말한다. 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래할 수 있다.

다음과 같은 과정으로 이루어진다.

해결 방법은 다음과 같다.

작업 세트 (working set)

프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드한다.
미리 메모리에 로드함으로써 스와핑을 줄일 수 있고 탐색에 드는 비용 또한 줄일 수 있다.

PFF (Page Fault Frequency)

페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만든다.
상한선에 도달하면 프레임을 늘리고 하한선에 도달하면 프레임을 줄인다.

메모리에 프로그램을 할당할 때는 '시작 메모리 위치'와 '메모리의 할당 크기'를 기반으로 한다. 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.

연속할당

메모리에 프로세스를 연속적으로 할당하는 것을 말한다. 고정 분할 방식과 가변 분할 방식이 있다.

고정 분할 방식: 메모리를 미리 나누어 관리한다. 융통성이 없고 내부 단편화가 발생한다.
가변 분할 방식: 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나누어 관리한다. 내부 단편화는 발생하지 않지만 외부 단편화는 발생할 수 있다. 이는 최초적합, 최적적합, 최악적합이 있다.
- 최초적합: 위쪽이나 아래쪽부터 시작하여 홀을 찾으면 바로 할당
- 최적적합: 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당
- 최악적합: 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당

*내부 단편화: 나뉜 메모리 공간이 프로세스의 크기보다 커서 빈 공간이 많이 발생하는 현상

*외부 단편화: 나뉜 메모리 공간이 프로세스의 크기보다 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

*홀: 할당할 수 있는 메모리 공간

불연속할당

메모리를 연속적으로 할당하지 않는 것을 말한다. 대표적으로 페이징 기법, 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다.

페이징
동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다. 홀의 크기가 균일하지만 주소 변환이 보잡하다.
세그멘테이션
페이지가 아닌 세그먼트로 나누는 방식이다. 프로세스의 코드, 데이터 등을 기반으로 나눌 수 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있다. 공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생한다.
페이지드 세그멘테이션
공유나 보안을 의미 단위인 세그먼트로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것을 말한다.

메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 발생한다. 스와핑은 최대한 줄일 수 있는 방법으로 설계되어야 한다. 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 이루어진다.

오프라인 알고리즘: 먼 미래에 사용되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘. 가장 좋은 방법이나 미래에 사용된 페이지를 알 수 없으므로 실제로 사용은 불가능하다. 다만, 다른 알고리즘의 성능 척도로써의 역할을 한다.
FIFO(First In First Out): 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법이다.
LRU(Least Recently Used): 참조가 가장 오래된 페이지를 교체한다. 오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야하는 단점이 있다.
NUR(Not Used Recently): clock 알고리즘이라 불린다. 시계 방향으로 돌면서 최근에 참조되지 않은 프로세스를 최근에 참조된 프로세스로 교체한다.
LFU(Least Frequently Used): 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체한다.

| References

면접을 위한 CS 전공지식 노트

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