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메모리와 메모리 관리

1. 메모리

CPU는 그저 메모리에 올라와 있는 프로그램의 명령어들을 실행

🍇 메모리 계층

1. 레지스터 : CPU 안에 있는 작은 메모리
2. 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭한다.
3. 주기억장치 : (= 메모리, RAM)
4. 저장장치(HDD SDD) : (= 보조기억장치)

🍇 캐시

캐시는 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리

• 프로그램이 수행될 때 나타나는 지역성을 이용하여 메모리나 디스크에서 사용되었던 내용을 특별히 빠르게 접근할 수 있는 곳에 보관하고 관리함으로써 이 내용을 다시 필요로할 때 보다 빠르게 참조하도록 하는 것
• 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이 해결 - 캐시 계층

Locality(지역성, 구역성)

Q. 그렇다면 캐시계층을 두는 것이 아니라 캐시를 직접 설정해야 할 때는 어떻게…?

A. 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 하는데 그것이 근거가 되는 것이 바로 지역성

• 프로세스가 실행되는 동안 주기억장치를 참조할 때 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 성질이 있다는 이론
• 스래싱(Thrashing)을 방지하기 위한 워킹 셋 이론의 기반
• 데닝(Denning) 교수에 의해 구역성의 개념이 증명됐으며, 캐시 메모리 시스템의 이론적 근거

종류	설명
시간적 지역성(Temporal Locality)	▶ 최근 사용한 데이터를 다시 접근하려는 특성 for 문 반복문의 i와 같은 느낌 ▶ 한 번 참조한 페이지는 가까운 시간 내에 계속 참조할 가능성이 높음 반복, 스택, 부프로그램과 관련 ▶ 최근 사용되었던 기억장소들이 집중적으로 액세스# Loop(루프), Stack(스택), Subroutine(서브루틴),Counting(카운팅), Totaling(집계) #루스서카집
공간적 지역성(SpatialLocality)	▶ 어느 하나의 페이지를 참조하면 가상공간상 그 근처의 페이지를 계속 참조할 가능성이 높음 ▶ 프로그램 실행시 일정 위치의 페이지를 집중적으로 액세스하는 현상 # Array(배열) : 각 요소들에 i가 할당되며 해당 배열 연속적 접근, Sequential Code(순차적 코드) ★

캐시히트와 캐시미스

1. 캐시 히트(Cache Hit)

• CPU가 참조하고자 하는 메모리가 캐시에 존재하고 있을 경우
• 캐시에서 원하는 데이터를 찾음 ⇒ 데이터를 해당 제어장치를 거쳐 가져옴(빠름)

2. 캐시 미스(Cache Miss)

• 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리에 가서 데이터를 찾아옴(느림)

🔗 출처 : 면접을 위한 cs 지식

캐시매핑

• 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며 CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간 데이터를 주고받을 때 기반으로 설명
• 레지스터는 주 메모리에 비해 괴장히 작고 주 메모리는 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘 해주려면 매핑이 중요

Mapping이란 가상주소와 물리주소의 대응 관계 또는 가상 주소로부터 물리 주소를 찾아내는 일을 말한다.

• 직접 매핑, 연관 매핑, 집합 연관 매핑

웹 브라우저의 캐시

사용자의 커스텀 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청 시 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 사용

1. 쿠키

• 만료기간이 있는 키-값 저장소
• same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송되며, 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기간을 정할 수 있다.

2. 로컬 스토리지

• 만료기간이 없는 키-값 저장소
• 10MB까지 저장할 수 있으며, 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성

3. 세션 스토리지

• 만료 기한이 없는 키-값 저장소
• 탭 단위로 세션 스토리지 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터 삭제

데이터베이스의 캐싱 계층

• 데이터 베이스 시스템 구축 시에도 메인 데이터베이스 위에 레디스(REDIS) 데이터베이스 계층을 캐싱 계층으로 둬서 성능 향상

2. 기억장치 관리

🍇 메모리 관리 기법

운영체제의 대표적인 할 일 중 하나인 메모리 관리는 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야 함

• 컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 관리하며, 사용자가 컴퓨터를 편리하고 효과적으로 사용할 수 있도록 환경을 제공하는 여러 프로그램의 모임

🍇 기억장치의 관리 전략의 개요

• 보조기억장치의 프로그램이나 데이터를 주기억장치에 적재시키는 시기(When), 적재 위치(Where) 등을 지정하여 한정된 주기억장치의 공간을 효율적으로 사용하기 위함
• #반입(Fetch), 배치(Placement), 할당(Allocation), 교체(Replacemnet) 반배할교

🍇 가상 메모리

가상 메모리는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게는 큰 메모리로 보이게 만드는 방법

• 보조기억장치(하드디스크)의 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것으로, 용량이 작은 주기억장치를 마치 큰 용량을 가진 것처럼 사용하는 기법
• 주기억장치의 용량보다 큰 프로그램을 실행하기 위해 사용
• 주기억장치의 이용률과 다중 프로그래밍 효율을 높일 수 있음
• 가상기억장치에 저장된 프로그램을 실행하려면 가상기억장치의 주소를 주기억장치의 주소로 바꾸는 주소 변환 작업 필요
• 블록 단위로 나누어 사용하므로 연속 할당 방식의 단편화 해결 가능

스와핑**(프로세스 교체)**

1. 만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 볼트가 발생
2. 스와핑 : 이를 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮겨 필요할 때 다시 RAM으로 불러와 올리고, 사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여 RAM을 관리하는 것
3. 프로그램 전체를 주기억장치에 할당하여 사용하다 필요없는 프로그램은 다른 프로그램이랑 교체된다 .
4. 프로세서 할당이 끝나고 수행 완료된 프로세스는 보조기억장치로 보내고(스왑 아웃)
5. 새롭게 시작하는 프로세스는 주기억장치(메모리)에 적재(스왑 인)
6. 스왑아웃,스왑인 ->주기억장치기준
7. 프로세스는 메모리에 있어야 수행되므로 일시적으로 디스크로 이동했다가 메모리로 되돌아와 다시 수행 가능

페이지 폴트

페이지 부재 또는 페이지 폴트는 메모리에 적재된 페이지중에 사용 페이지가 없을 때를 가리킨다. 시스템의 종류에 따라 약간 다를 수 있으나, 대체로는 빈 페이지가 하나도 없거나, 미리 정한 수보다 적을 때 발생한다.

🍇 반입(Fetch) 전략 : 메모리 적재 시기 결정

보조기억장치에 보관중인 프로그램이나 데이터를 언제(When) 주기억장치로 적재할 것인지를 결정하는 전략

▶ 요구 반입(Demand Fetch): 실행중인 프로그램이 특정 프로그램이나 데이터 등의 참조를 요구할 때 적재하는 방법

▶ 예상 반입(Anticipatory Fetch): 실행중인 프로그램에 의해 참조될 프로그램이나 데이터를 미리 예상하여 적재하는 방법

🍇 배치(Placement) 전략 : 메모리 적재 위치 결정

• 새로 반입되는 프로그램이나 데이터를 주기억장치의 어디에(Where) 위치시킬 것인지를 결정하는 전략

▶ 최초 적합(First Fit): 빈 영역 중에서 첫 번째 분할 영역에 배치

▶ 최적 적합(Best Fit): 빈 영역 중에서 단편화를 가정 작게 남기는 분할 영역에 배치[2022.1회차]

▶ 최악 적합(Worst Fit): 빈 영역 중에서 단편화를 가장 많이 남기는 분할 영역에 배치

#최적악

🍇 메모리 할당(주기억장치 할당의 개념) : 메모리 적재 방법 결정

🔗 출처 : https://applejam34.tistory.com/4

메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데, 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.

• 프로그램이나 데이터를 실행시키기 위해 주기억장치에 어떻게(How) 할당할지 정함

연속 할당 기법 -단일 프로그램

• 프로그램을 주기억장치에 연속으로 할당하는 기법
• 단일 분할 할당 기법
  • 주기억장치를 운영체제랑 사용자로 나누어(경계 레지스터로 구분) 오직 한명의 사용자만이 주기억장치의 사용자 영역을 사용
  • 오버레이, 스와핑

연속 할당 기법 - 다중 분할 할당 기법

1. 정(정적) 분할 할당 기법

• 주기억장치의 사용자영역을 크기가 동일한 페이지로 나눠 처리하는 방법

2. 가변(동적) 분할 할당 기법

• 고장분할할당의 단편화를 줄이기 위한것으로, 주기억장치의 사용영역을 필요한 만큼의 크기로 분할
• 단편화의 상당부분해결하나, 영역과 영역사이에 단편화가 발생

3. 분산 할당 기법

• 프로그램을 특정 단위의 조각으로 나누어 할당하는 기법

3. 페이징(Paging) 기법 / 세그먼테이션(Segmentation) 기법

#연단다 분페세

불연속메모리 할당

1. 페이징(Paging) 기법 - 고정분할

• 가상기억장치에 보관되어 있는 프로그램과 주기억장치의 영역을 **동일한** 크기로 나눈 후 나눠진 프로그램(페이지)을 동일하게 나눠진 주기억장치의 영역(페이지 프레임)에 적재시켜 실행하는 기법
• 일정한 크기로 나눈 단위를 페이지(Page)라 하고, 페이지 크기로 일정하게 나누어진 주기억장치의 단위를 페이지 프레임(Page Frame)이라 함
• 외부 단편화는 발생하지 않으나, 내부 단편화 발생 __ 4-48
• 주소 변환을 위해 페이지의 위치 정보를 갖고 있는 페이지 맵 테이블(Page Map Table) 필요 → 페이지 맵 테이블 사용으로 비용 증가, 처리 속도 감소

단편화

용어	설명
메모리 단편화	분할된 주기억장치에 프로세스를 할당, 반납 과정에서 사용되지 못하고 낭비되는 기억장치가 발생하는 현상
내부 단편화	분할된 공간에서 프로세스를 적재한 후 남은 공간으로, 고정 분할 할당 방식 또는 페이징 기법 사용시 발생하는 현상
2. 세그먼테이션(Segmentation) 기법 ★

• 가상기억장치에 보관되어 있는 프로그램을 **다양한** 크기의 논리적인 단위로 나눈 후 주기억장치에 적재시켜 기억공간을 절약하기 위해서 사용하는 실행시키는 방법
• 메모리 분산 할당 기법 중 가상기억장치 내의 프로세스를 서로 크기가 다른 논리적 단위로 분할하고 메모리를 할당하는 기법으로, 분할 형태가 배열이나 함수와 같은 논리적인 다양한 크기의 가변적인 크기로 관리되는 기법
• 논리적인 크기로 나눈 단위를 세그먼트(Segment)라고 하며, 각 세그먼트는 고유한 이름과 크기를 가짐
• 기억장치의 사용자 관점을 보존하는 기억장치 관리 기법
• 주소 변환을 위해서 세그먼트가 존재하는 위치 정보를 갖고 있는 세그먼트 맵 테이블(Segment Map Table) 필요
• 세그먼트가 주기억장치에 적재될 때 다른 세그먼트에게 할당된 영역을 침범할 수 없으며, 이를 위해 기억장치 보호키(Storage Protection Key)가 필요
• 내부 단편화는 발생하지 않으나, 외부 단편화 발생 __ 4-48

🍇 교체(Replacement) 전략 : 메모리 교체 대상 결정

이미 사용되고 있는 영역 중에서 어느(Who) 영역을 교체할지 결정하는 전략, 가용 공간이 없는 경우

#FIFO, LRU, LFU, NUR, OPT, SCR

페이지 교체 알고리즘

▶ FIFO(First In First Out) = FCFS(First Come First Serve)

• 각 페이지가 주기억장치에 적재될 때마다 그때의 시간을 기억시켜 가장 먼저 들어와서 가장 오래 있었던 페이지를 교체하는 기법

🔗 참고 : https://velog.io/@infoqoch/운영체제-논리-메모리와-페이지폴트

▶ LRU(Least Recently Used)

• 최근에 가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법
• 가장 오래 전에 사용된 페이지 교체

▶ LFU(Least Frequently Used)

• 사용 빈도가 가장 적은 페이지를 교체하는 기법, 참조횟수가 가장 적은 것을 교체

▶ OPT(OPTimal replacement, 최적 교체)

• 앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체하는 기법
• 벨레이디(Belady)가 제안한 것으로, 페이지 부재 횟수가 가장 적게 발생하는 가장 효율적인 알고리즘

▶ NUR(Not Used Recently)

• LRU와 비슷한 알고리즘으로, 최근에 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법
• 각 페이지마다 두 개의 비트, 즉 참조 비트와 변형 비트 사용

참조 비트	0	0	1	1
변형 비트	0	1	0	1
교체 순서	1	2	3	4

▶ SCR(Second Chance Replacement, 2차 기회 교체)

• 가장 오랫동안 주기억장치에 있던 페이지 중 자주 사용되는 페이지의 교체를 방지하기 위한 것으로, FIFO 기법의 단점을 보완하는 기법

페이지 크기

▶ 페이지 크기가 작을 경우

• 페이지 단편화가 감소되고, 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 줄어듬
• 불필요한 내용이 주기억장치에 적재될 확률이 적으므로 효율적인 워킹 셋 유지 가능
• Locality에 더 일치할 수 있기 때문에 기억장치 효율 높아짐
• 페이지 정보를 갖는 페이지 맵(사상) 테이블의 크기가 커지고, 매핑 속도가 늦어짐
• 디스크 접근 횟수가 많아져서 전체적인 입, 출력 시간은 늘어남

▶ 페이지 크기가 클 경우

• 페이지 단편화가 증가되고, 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 늘어남
• 불필요한 내용까지도 주기억장치에 적재될 수 있음
• 페이지 정보를 갖는 페이지 맵(사상) 테이블의 크기가 작아지고, 매핑 속도가 빨라짐
• 디스크 접근 횟수가 줄어들어 전체적인 입, 출력 효율성이 증가됨

🍇 스레싱

🔗 출처 : https://blog.skby.net/스레싱-thrashing/

개념

Page Fault가 연속적으로 발생하여 프로세스 수행시간보다 페이지 교체 시간이 많은 상태

1. 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생
2. 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다.
3. CPU 이용률이 낮아지면 운영체제는 CPU가 한가한 줄 알고 가용성을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 되며 스레싱 발생

주요 원인

• 부적절한 페이지 교체 정책
• 시스템 리소스 부족
• 프로그램 메모리 관리 실

스레싱 예방을 위한 지역성 활용 워킹 셋(Working Set)

• 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합
• 주기억장치에 상주시킴으로써 페이지 부재 및 페이지 교체 현상이 줄어들어 프로세스의 기억장치 사용이 안정됨
• 시간이 지남에 따라 자주 참조하는 페이지들의 집합이 변화하기 때문에 워킹 셋은 시간에 따라 변경됨

스레싱 예방을 위한 직접 액세스 방식 페이지 부재 빈도(PFF; Page Fault Frequency) 방식

• 페이지 부재율에 따라 주기억장치에 있는 페이지 프레임의 수를 늘리거나 줄여 페이지 부재율을 적정 수준으로 유지하는 방식
• 페이지 부재(Page Fault)는 프로세스 실행 시 참조할 페이지가 주기억장치에 없는 현상이며, 페이지 부재 빈도는 페이지 부재가 일어나는 횟수를 의미함
• 페이지 부재율의 상한과 하한을 정해 직접적으로 페이지 부재율을 예측하고 조절하는 기법

프리페이징(Prepaging)

• 처음의 과도한 페이지 부재를 방지하기 위해 필요할 것 같은 모든 페이지를 미리 한꺼번에 페이지 프레임에 적재하는 기법

→ 기억장치에 들어온 페이지들 중에서 사용되지 않는 페이지가 많을 수도 있음

스래싱 현상 방지 방법

• 다중 프로그래밍의 정도를 적정 수준으로 유지 ★
• 페이지 부재 빈도(Page Fault Frequency)를 조절해 사용
• 워킹 세트(Working Set)을 유지함
• 부족한 자원을 증설하고, 일부 프로세스를 중단시킴
• 각 프로세스가 필요로 하는 프레임 제공[2021.5]