이번 포스팅에는 메모리 관리 전략과 가상 메모리에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다.

가상 메모리는 한정된 크기의 메모리내에서 최대한 많은 프로세스를 할당하여 효율적으로 사용하기 위해 만든 기술로, 간단히 말하면 보조 기억장치를 주기억장치 처럼 사용할 수 있게 하는 기술입니다. 이를 통해 프로그램이 물리 메모리보다 커도 된다는 주요 장점이 있습니다. 용량보다 큰 프로그램은 실행을 할 수가 없었습니다. 또 여러 프로그램을 메모리에 동시에 올리기에는 용량의 한계와 페이지 교체등의 이슈가 발생하였습니다. 하지만 가상 메모리가 개발 되면서 물리 메모리 크기에 제약을 받지 않게되었고 더 많은 프로그램을 동시에 실행할 수 있게 되었고, swap에 필요한 I/O가 줄어들기 때문에 프로그램들이 빠르게 실행 할 수 있습니다.

가상 메모리의 장점

  • 더 많은 프로그램을 실행할 수 있다.
  • 실제 물리 메모리의 크기에 제한을 받지 않는다.
  • 프로그램의 swap에 필요한 입출력 감소 (=프로세스의 일부분만 swap하도록 처리)

메모리 관리 전략

메모리는 CPU가 직접 접근하는 유일한 저장장치로 메모리 시스템(하드웨어)은 주소(메모리 위치)를 관리하며 할당과 접근을 제어합니다.

목적

  • 제한된 물리 메모리의 효율적인 사용 (할당)
  • 효율적인 메모리 참조 (논리-물리 주소 할당)

이를 위한 메모리 전략은 크게 3가지가 있습니다.

스와핑 (Swapping)

CPU에서 실행 중이지 않은 프로세스의 메모리 이미지를 저장장치에 이동 (메모리 사용의 효율성 증가)

  • Swap in : Ready Queue의 다음 프로세스가 메모리에 없다면
  • Swap out : 메모리 공간이 부족하면 다른 프로세스를 Swap out 후 Swap in
  • 단점 : Context Switching Overhead

연속 메모리 할당 (Contiguous Memory Allocation)

  • 각 프로세스가 필요로 하는 메모리 요구량을 분석해서 필요한 메모리를 연속으로 메모리에 할당하는 방식 (연속된 물리 메모리이기 때문에 시작 주소만 알면 됨)
  • 동적 메모리 할당 : 어떤 프로세스가 실행했을때 이 프로세스가 들어갈 적당한 곳을 찾아 할당하는 것
    • 최초 적합 (First-fit) : 요청한 크기를 만족하는 첫 번재 가용 공간을 할당, 속도가 빠름
    • 최적 적합 (Best-fit) : 요청한 크기를 만족하는 가장 작은 공간을 할당, 남는 가용 공간을 최소화함
    • 최악 적합 (Worst-fit) : 가장 큰 가용 공간을 할당, 가용 공간이 커서 활용 가능성이 높음, 검색속도가 느리고, 메모리 이용 효율이 좋지 않음

페이징 (Paging)

  • 프로세스가 사용하는 주소 공간을 여러 개로 분할하여 비연속적인 물리 메모리 공간에 할당, 가상 메모리를 모두 같은 크기의 블록으로 편
  • 단위
    • 프레임 : 실제 메모리 공간 (4KB)
    • 페이지 : 프로세스의 메모리 공간 (4KB)
    • 프레임 사이즈 = 페이지 사이즈
    • 논리적 의미와 관계없이 크기가 모두 동일함
  • 페이지 테이블
    • 페이지 테이블 내에 프레임과 페이지가 서로 매핑이 되어 있어서 페이지 테이블을 참조하여 실제 메모리에 접근하게 됩니다.
    • 문제 : 매번 메모리의 페이지 테이블을 먼저 읽어야 하므로 메모리 접근 시간이 두 배가 된다 -> 페이지 테이블의 캐싱을 사용
  • 페이징과 Context Switching : 페이지 테이블을 재설정하기 위한 Context Switching이 발생
  • 공유 페이지 : 비교적 간단하게 메모리 공유

세그멘테이션 (Segmentation)

  • 프로세스가 필요로 하는 메모리 공간을 분할하여 비연속적인 물리 메모리 공간에 할당
  • 단위 : 세그먼트 (서로 다른 크기를 가짐)
  • 페이징과의 차이
    • 논리적 의미에 부합하도록 세그먼트들의 크기가 서로 다름
    • 크기가 다 다르기 때문에 메모리를 페이징 기법에서처럼 미리 분할해 둘 수 없고, 메모리에 적재될 때 빈 공간을 찾아 할당
  • 논리 주소 공간을 세그먼트 집합으로 정의 (세그먼트마다 별도의 독립된 주소 공간 제공)
  • 세그먼트 테이블
    • 사용자가 정의한 주소를 실제 주소로 맵핑하는 정보를 저장하고 있음
    • 개별 세그먼트는 항목별로 Base(세그먼트 시작 주소) + Limit(세그먼트 길이)의 정보를 같습니다.

페이징 (Paging) vs 세그멘테이션 (Segmentation)

  페이징 세그멘테이션
단위 페이지(가상 공간) / 프레임(물리 공간) 세그먼트
차이점 페이지와 프레임이 모두 같은 크기 논리적 의미에 따라 서로 다른 크기의 세그먼트를 가

요구 페이징 (Demand Paging)

  • 스왑된 페이지를 필요할 때 메모리에 적재
  • 기본적인 페이징 기법에 따라 주소 변환
  • 논리 주소 공간의 각 페이지가 실제로 필요해질 때 적재
    • 사용되지 않는 페이지는 메모리에 적재하지 않음
    • 물리 메모리의 필요 용량을 감소
    • 스왑에 필요한 시간 감소
  • 가상 메모리를 구현하는 중요한 기반 기술
    • 세그먼테이션 시스템에서도 페이징과 결합하여 구현
  • 스와핑 기법과 유사
    • 프로세스 전체를 저장/복구 vs 필요한 페이지만 저장/복구
    • 가상메모리에서는 swapper보다는 pager란 용어가 더 적합

페이지 교체 (Page Replacement)

메모리 공간이 부족하면 특정 페이지를 스왑하여 교체

  • 페이지 교체 알고리즘 (page replacement)
    • FIFO (First-In-First-Out)
      • 메모리에 적재된 시간이 가장 오래된 페이지를 교체 (프레임 개수가 많아지면 페이지 부재율이 높아지는 현상, Belady의 모순)
    • Optimal Page Replace
      • 앞으로 가장 오래 사용되지 않을 페이지를 교체, 들어온 데이터를 쭉 읽어서 앞으로 사용하지 않을걸 교체
      • 다른 모든 알고리즘보다 페이지 부재율이 낮으면서 Belady의 모순이 발생하지 않는 페이지 교체 알고리즘
      • 실제 구현이 불가능하다 : 미래의 페이지 참조를 미리 알아야 함
      • 제안된 알고리즘의 성능을 비교하기 위한 목적으로 사용
    • LRU (Least-Recent-Used)
      • 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체
      • 최적 페이지 교체 알고리즘에 근사하는 방법, 과거 참조를 기반으로 미래 참조 형태의 근사치를 결정
      • 거의 최적 알고리즘에 가까움
      • 링크드 리스트로 관리 (스택으로 유지)
      • 고려사항
        • 페이지들을 최근에 사용한 시간 순서대로 나열할 수 있어야 함
        • 하드웨어의 지원이 필요 : 모든 메모리 참조에 대해 참조 시간 정보를 갱신
    • LFU (Least-Frequently-Used)
      • 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체
      • 참조 횟수가 적은건 앞으로도 안쓸것이다.
      • 참조 빈도와 참조 시간은 정확히 일치하지 않습니다.
    • MFU (Most-Frequently-Used)
      • 참조 횟수가 가장 많은 페이지를 교체
      • 최근에 참조가 된 페이지는 앞으로 덜 쓸것이다.
      • 참조 횟수가 적은 페이지는 최근에 적재되었고 앞으로 참조될 가능성이 높을 것이라는 직관에 의존
  • 프레임 할당 알고리즘 (frame allocation)
  • 요구 페이징은 시스템 성능에 많은 영향을 준다.
  • 페이지 교체 알고리즘의 목표 : Page Fault Rate의 최소화
  • Page Fault : 접근하려는 페이지가 메모리에 없는 상태
  • 페이지 버퍼링
    • Demand Paging의 디스크 I/O를 개선하는 방법
      • 가용 프레임 집합 유지
      • 변경된 페이지 목록 유지
      • 가용 프레임의 이전 페이지 번호 저장