메모리 관리 전략, 페이징, 세그멘테이션

메모리 관리 배경

각각의 프로세스는 독립된 메모리 공간을 갖고, 운영체제 혹은 다른 프로세스 메모리 공간에 접근할 수 없는 제한이 걸려있다.

 

스와핑 : 메모리의 관리를 위해 사용되는 기법으로 라운드 로빈과 같은 스케줄링의 다중 프로그래밍 환경에서 CPU 할당 시간이 끝난 프로세스의 메모리를 보조 기억장치로 내보내고 다른 프로세스의 메모리를 불러 들일 수 있다.

 

단편화 (Fragmentation) : 프로세스들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다보면, 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용하지 못 할 만큼의 작은 자유공간들이 늘어나게 되는데, 이것이 단편화이다.

- 외부 단편화 : 메모리 공간 중 사용하지 못하게 되는 일부분. 물리 메모리(RAM)에서 사이사이 남는 공간들을 모두 합치면 충분한 공간이 되는 부분들이 분산되어 있을 때 발생

- 내부 단편화 : 프로세스가 사용하는 메모리 공간에 포함된 남는 부분. 예를 들어 메모리 분할 자유 공간이 10,000B 있고 프로세스A 가 9,998B 사용하게 되면 2B라는 차이가 존재하고, 이를 내부 단편화라고 한다.

 

페이징

하나의 프로세스가 사용하는 메모리 공간이 연속적이어야 한다는 제약을 없애는 메모리 관리 방법

하나의 프로세스가 사용하는 공간을 여러개의 페이지로 나누어서 관리되고, 개별 페이지에는 순서에 상관없이 물리 메모리에 있는 프레임에 매핑되어 저장된다고 볼 수 있다.

단점 : 내부 단편화의 비중이 커지게 된다. 예를 들어 페이지 크기가 1,024B이고 프로세스 A는 3,172B의 메모리를요구한다면 3개의 페이지 프레임을 하고도 100B가 남기 때문에 4개의 페이지 프레임이 필요하다.

 

페이징 수행 과정

 

1. CPU는 물리 메모리을 확인하여 페이지가 없으면(페이지 테이블의 valid bit가 0일때) trap(인터럽트)을 발생하여 운영체제에 알린다.

2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춘다.

3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단한다.

4. 페이지 폴트이면, 현재 물리 메모리에 비어있는 프레임(Free Frame)이 있는지 찾는다.

5. 비어있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 갱신한다.(valid bit를 1로)

6. 중단되었던 CPU를 다시 시작한다.

 

 

세그멘테이션

페이징에서처럼 논리 메모리와 물리 메모리를 같은 크기의 블록이 아닌, 서로 다른 크기의 논리적 단위인 세그먼트로 분할 사용가자 두 개의 주소로 지정 세그먼트 테이블에는 각 세그먼트의 기준(세그먼트의 시작 물리 주소)과 한계(세그먼트의 길이)를 저장

단점 : 서로 다른 크기의 세그먼트들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다 보면, 자유 공간들이 많은 수의 작은 조각들로 나누어져 못 쓰게 될 수도 있다. (외부 단편화 발생)

 

-> 페이지의 크기가 너무 작게 되면 페이지의 부재가 커지고, 계속해서 페이지 교체가 이루어지기 때문에 속도 저하 문제가 발생된다, 페이지의 크기가 너무 커지면 메인 메모리의 크기는 적은데, 페이지 프레임의 크기가 늘어나게 되는 현상이 발생되고 다른 프로그램들을 사용할 수 있는 공간이 줄어들기 때문에 적절한 분할이 중요하다.

 

가상 메모리

다중 프로그래밍을 실현하기 위해서는 많은 프로세스들을 동시에 메모리에 올려두어야 한다. 가상 메모리는 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법이고, 프로그램이 물리 메모리보다 커도 된다는 장점이 있다.

 

가상 메모리의 일반적인 구현 방법에는 블록의 종류에 따라 페이징 기법과 세그멘테이션 기법으로 나눌 수 있다.

현재에는 대부분 페이징 기법을 사용한다.

 

페이지 교체 알고리즘

페이지 부재(Page Fault)가 발생했을 때 가상메모리의 필요한 페이지를 주메모리에 적재해야 하는데, 이 때 주메모리의 모든 페이지 프레임이 사용중이면 어떤 페이지 프레임을 선택하여 교체할 것인지를 결정하는 기법이다.

FIFO, OPT, LRU, LFU, NUR, SCR 등이 있다.

 

FIFO (First In First Out)

• 가장 오래된 페이지를 Page-out 하는 기법
• 장점 : 이해하기 쉽고, 구현이 간단하다.
• 단점 : 1번 페이지가 교체되었는데 그 다음 바로 1번 페이지를 요구한다면??? 활발하게 사용하는 페이지를 계속해서 교체한다면 페이지 부재율이 높아지고 실행 속도가 떨어진다.

OPT (OPTimal replacement, 최적 교체)

• 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체하는 기법
• 가장 효율적인 알고리즘이지만, 미래에 어떤 페이지를 사용할 지 알기 힘드므로 구현이 불가능한 방법이다.

LRU (Least Recently Used)

• 최근에 가장 오래 사용되지 않은 페이지를 교체하는 기법
• 긱 페이지마다 counter 혹은 스택을 두어 현 시점에서 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체한다.
• 장점 : 최적보다 교체가 자주 일어나지만 FIFO보다 효율적이다.

LFU (Least Frequently Used)

• 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 기법이다.
• 활발하게 사용되는 페이지는 사용 횟수가 많아 교체되지 않고 사용된다.
• 단점 : 초기에 한 페이지를 집중적으로 참조하다가 이후 참조하지 않을 경우 비효울적이다.

MFU (Most Frequently Used)

• LFU와는 반대로 참조 횟수가 가장 많은 페이지를 교체하는 기법

-> LFU와 MFU는 실제 사용에 잘 쓰이지 않는다.

구현에 상당한 비용이 들고 최적 페이지 교체 정책을 제대로 구현하기 힘들기 때문이다.