[운영체제] 메모리 관리, 가상메모리

메모리 = 메인 메모리 (RAM)

• 메모리란 주소를 통해 접근하는 객체로, 메인 메모리는 주기억장치를 의미합니다.
• 따로 언급이 없으면 메모리는 메인 메모리를 의미합니다.

 

• 컴퓨터에서 메모리는 중요한 작업공간입니다.
• 프로세스는 CPU에서 바로 계산을 할 수 없고, 메모리에 적재한 후에 실행할 수 있습니다.
• 프로그램이 프로세서(CPU)에 할당되려면 (프로그램이 프로세스가 되어 실행하려면) 메모리에 적재되어야 합니다.

 

 

 

메모리 = 주소로 인덱싱하는 커다란 배열

• 컴퓨터를 부팅하면 텅텅 비어있던 메모리에 운영체제, 사용자 프로그램이 배열 원소처럼 메모리에 채워집니다.
• 이들은 CPU를 점유할 기회를 노립니다.

호시탐탐

 

 

 

컴파일러

• CPU는 메모리에 채워진 프로그램 코드를 곧장 읽을 수 없고, 컴퓨터가 이해할 수 있도록 숫자로 바꿔줘야 합니다.
• 컴파일러는 우리의 코드를 숫자로 바꾸어 줍니다.
• 컴파일러는 코드의 주소를 결정해줍니다.

 

 

 

주소 바인딩

• Symbolic Address -> Logical Address -> Physical Address 의 과정을 거칩니다.
• 주소 바인딩은 프로그램이 물리적인 메모리 어느 부분에 적재될지 결정하는 것입니다.
• 논리주소만으로는 실제 메모리의 주소를 알 수 없기 때문에
• 논리주소를 물리적 메모리로 연결시키는 작업이 필요합니다.

• Symbolic Address : 메소드, 변수
• Logical Address : 컴파일러가 변환시킨 숫자주소
• Physical Address : 프로그램의 독립된 주소

 

 

 

주소의 종류

1. Symbolic Address 
   • 변수(variable)란 데이터를 저장하기 위해 프로그램에 의해 이름을 할당받은 메모리 공간입니다.
   • 프로그래머들이 변수와 값을 지정할 때, 변수를 하드웨어의 어디에 저장할지 결정하지는 않습니다.
   • 또한 그 변수를 CPU가 어떻게 인식할지도 정하지 않으며,
   • 그저 변수의 이름을 통해서 그 값에 접근할 수 있습니다.
2. Logical Address 논리주소
   • 각 프로세스마다 가지는 주소로, 0번지부터 시작합니다.
   • 그래서 논리주소는 중복되며, 가상주소라고도 부릅니다.
     • 논리주소가 중복되는데, 메모리가 이를 구별하는 방법?
     • 논리주소에 하나의 주소값을 추가합니다. 
     • 이것이 물리주소입니다.
   • CPU가 인식하는 주소 체계입니다.  

     

     중복된 논리주소

3. Physical Address 물리주소
   
   • 물리적인 메모리 주소로 실제 하드웨어에 올라가는 위치입니다.
   • 중복되는 논리주소에 하나의 주소값을 추가하여, 프로세스의 독립된 물리주소가 생겼습니다.

 

독립된 물리주소

 

 

 

주소 바인딩을 하는 이유 (Symbolic Address -> Logical Address -> 최종 Physical Address)

• CPU는 논리주소만으로 물리 메모리에 올라와있는 프로세스의 정보를 읽습니다.
  • CPU는 현재 활동 중인 프로세스의 내부의 주소만 알면 됩니다.
  • 어떤 프로세스인지 알 필요가 없습니다.
• 프로그램을 물리 메모리의 어느 부분에 적재할지 결정해야하므로 물리주소도 필요합니다.

 

 

 

주소 바인딩의 세가지 방식

1. 컴파일 타임 바인딩

• 컴파일 할 때 물리적 메모리 주소가 결정됩니다.
• 물리적인 메모리가 많이 비었어도 변경할 수 없는 비효율적인 방법입니다.
• 프로그램의 물리적 주소를 변경하고 싶으면 다시 컴파일해야 합니다.

 

2. 로드 타임 바인딩

• 프로그램의 실행이 시작될 때 물리적 주소가 결정됩니다.
• 메모리 주소를 부여받고 프로그램이 종료될 때 까지 물리주소가 고정됩니다.
• 컴파일러가 재배치할 수 있습니다.

 

3. 실행 시간 바인딩(run time binding)

• 프로그램이 실행한 후에도 물리적 주소를 변경할 수 있습니다.
• CPU가 주소를 참조할 때마다 물리적 메모리의 어느 위치에 존재하는지 주소 매핑 테이블을 이용해 주소 바인딩을 점검합니다.
• MMU 하드웨어가 필요합니다.

 

 

MMU(Memory Management Unit)

• 논리주소를 물리주소로 매핑해주는 하드웨어입니다.
• 두 레지스터가 있습니다.
• relocation register : 접근할 물리적 메모리 주소의 최소값(시작 주소)
• limit register : 현재 CPU에서 수행중인 프로세스의 논리적 주소의 최대값(프로세스의 크기)
  • CPU가 범위를 벗어나는 주소를 요청할 경우 오류를 알립니다.

MMU

 

MMU

 

 

 

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가상 메모리

• 프로그램 일부만 메모리에 적재되어도 실행가능한 환경에서는,
• 우선 일부만 메모리에 적재하고 나머지는 저장공간(디스크)에 빼둔 후, 필요한 부분을 점차 메모리에 적재합니다.
• 사용자에게 실제보다 큰 용량의 메모리를 제공하는 효과를 줍니다. 
• 이처럼 디스크를 마치 메모리처럼 사용하는 것을 가상 메모리라고 합니다.

 

 

 

스와핑 SWAPPING

• 프로세스를 일시적으로 메모리에서 하드디스크에 있는 SWAP 공간으로 쫓아내는 기법입니다.
  • 스왑 아웃 : 메인 메모리의 프로세스에서 일정 페이지를 잘라서 SWAP 공간으로 가져가는 것을 말합니다.
  • 스왑 인 : SWAP 공간에 옮겨 두었던 프로세스의 페이지를 다시 메인 메모리로 가져오는 것을 말합니다.
• 프로세스를 저장공간에 빼놨다가 메모리에 올려 다시 실행했다가 이런 식으로 프로세스를 교체합니다.
• 시간비용이 많이 듭니다.
  • Swapping할 프로세스를 고르기 위한 프로세스 중요도 계산
  • 하드디스크까지 전체 프로세스 스왑하기

 

가상 메모리와 성능

• 가상 메모리와 메모리를 스왑하는 비용때문에 성능 저하가 발생합니다.
• 따라서, 스와핑이 발생하지 않도록 메모리 여유율을 유지하는 것이 성능에 중요합니다.

 

안정적 운영을 위한 메모리 판단 기준 

- 메모리 사용율이 100%이거나

- 지속적으로 스왑 아웃이 발생하면 메모리 부족입니다.

 

 

 

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메모리 분할

• 여러 프로세스를 동시 적재하는 다중 프로그래밍을 하기 위해서는 메모리 분할이 필요합니다.
• 고정 분할
  • 메모리를 고정적으로 분할시키고, 공간이 비워지면 새로운 프로그램을 적재합니다.
  • 하지만 프로그램 크기에 딱 맞는 공간을 항상 제공할 수 없으므로, 
  • 사용하지 못하고 낭비되는 메모리 공간이 생깁니다. 이를 내부 단편화라고 합니다.
• 가변 분할
  • 정확히 프로그램의 크기만큼 메모리 공간을 할당하는 기법입니다.
  • 고정 분할의 내부 단편화 문제를 해결하기 위한 방법입니다.
  • 메모리 할당과 반납을 반복합니다.
  • 빈 공간이 있지만 크기가 너무 작아 사용하지 못하고 낭비되는 홀 Hole이 생기며,
  • 이를 외부 단편화라고 합니다.

 

 

 

가변분할의 할당정책

1. 최적 적합(Best-fit) 할당
   • 필요한 공간과 가장 근접한 크기의 빈 공간을 선택합니다.
   • 할당하고 남은 아주 작은 빈 공간이 또 생깁니다.
2. 최악 적합(Worst-fit) 할당
   • 빈 공간 중 가장 큰 공간을 할당합니다.
3. 최초 적합(First-fit) 할당
   • 필요한 공간보다 크면 무조건 할당합니다.
   • 요구사항을 만족하는 빈 공간을 발견하자마자 할당합니다.
   • 검색 부담을 줄입니다.
4. 순차 적합(Next-fit) 할당
   • 최초 적합 할당은 항상 메모리의 처음부터 검색하므로 작은 분할이 많이 발생할 수 있습니다.
   • 그래서 순차 적합 할당은 이전에 할당된 공간을 기록해두었다가,
   • 바로 그 다음 공간부터 검색합니다.
     
     

 

메모리 공간을 최대한 활용하기 위한 Paging 기법

• 메모리 뿐만 아니라 프로그램도 여러 조각으로 나누어 메모리에 분산 적재하는 기법입니다.
• 프로그램 동작에 필요한 최소한의 Page만 메모리에 올리고, 나머지는 SWAP 공간에 저장합니다.

• Frame : 물리 메모리 공간을 일정한 크기로 나누기
• Page : 프로그램을 Frame과 동일한 크기로 나누기
• Page Table : 메모리에 분산된 프로그램 관리하기
  • Frame-Page 대응관계를 관리합니다.
  • Page Table은 메모리에 저장됩니다.