[운영체제] 메모리 관리, 가상메모리

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[운영체제] 메모리 관리, 가상메모리

은진 2021. 8. 18. 18:24

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.

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

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

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.

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.

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

최적 적합(Best-fit) 할당
- 필요한 공간과 가장 근접한 크기의 빈 공간을 선택합니다.
- 할당하고 남은 아주 작은 빈 공간이 또 생깁니다.
최악 적합(Worst-fit) 할당
- 빈 공간 중 가장 큰 공간을 할당합니다.
최초 적합(First-fit) 할당
- 필요한 공간보다 크면 무조건 할당합니다.
- 요구사항을 만족하는 빈 공간을 발견하자마자 할당합니다.
- 검색 부담을 줄입니다.
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.