4. 메모리 관리

본 게시글은 책 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트 (출판사 : 길벗, 주홍철 지음) 을 참조하여 작성하였습니다. + 구글링

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◆  메모리 관리

- 가상 메모리 (Virtual memory) 

     : 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것

     : 이 때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address)로  정의

     : 실제 메모리상에 있는 주소는 실제 주소(physical address)로 정의

     : 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환

     : 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축 가능

     : 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있으며 프로세스의 주소 정보가 들어있는 페이지 테이블로 관리

     : 속도 향상을 위해 TLB 사용 (메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시)

- 스와핑 (swapping)

    : 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트 발생

    : 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 메모리 처럼 불러와 사용

    : 이를 통해 페이지 폴트가 일어나지 않은 것 처럼 처리

- 페이지 폴트 (page fault)

    : 페이지 => 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

    : 프레임 => 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

    : 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에 는 없는 데이터에 접근 했을 경우 발생

    : 페이지 폴트와 그로 인한 스와핑은 다음 과정으로 이루어짐

    1. CPU는 물리메모리를 확인, 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알림

    2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춤

    3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 탐색, 물리 메모리에도 없다면 스와핑

    4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화

    5. 중단되었던 CPU 재시작

- 스레싱 (Thrashing)

    : 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것

    : 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래

    : 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나게 되어 발생

    : 페이지 폴트 발생 -> CPU 중단 (이용률 저하) -> CPU 가용성을 더 높이기 위해 프로세스 추가 -> 악순환 반복

    : 물리적으로 해결하기 위해서는 메모리를 늘리거나, HDD를 SSD로 변경 등의 방법이 존재

    : 운영체제에서 해결 방법은 작업 세트와 PFF 존재

- 작업세트

    : 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)를 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드

    : 이에 따라 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 감소 가능

- PFF (Page Fault Frequency)

    : 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법

    : 상한선에 도달한다면 프레임을 상승시키고 하한선에 도달 시 프레임을 감소

- 메모리 할당

    : 메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당

    : 연속 할당, 불연속 할당으로 분류

- 연속할당

    : 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것

     ex) 프로세스 A, B, C가 순차적으로 공간에 할당

    : 메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변분할 방식 존재

- 내부 단편화(internal fragmentation)

    : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

- 외부 단편화(exteranl fragmentation)

    : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

     ex) 100MB를 55, 45로 나누었을 때 프로그램의 크기는 70MB이면 들어갈 수 없다

- 홀(hole)

    : 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간

- 고정 분할 방식 (fixed partition allocation)

    : 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식

    : 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성 X, 내부 단편화 발생

- 가변 분할 방식 (variable partition allocation)

    : 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용

    : 내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화 발생 가능

    : 최초적합(first fit), 최적적합(best fit), 최악적합(worst fit) 존재

         · 최초적합 : 위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당

         · 최적적합:  프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀 부터 할당

         · 최악적합 : 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당

- 불연속 할당

    : 메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법

    : 페이징 기법, 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션 존재

- 페이징 (Paging)

    : 동일한 크기의 페이지(보통 4KB)로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당

    : 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡

- 세그먼테이션 (Segmentation)

    : 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식

    : 프로세스를 이루는 메모리는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 구성

    : 코드와 데이터 영역으로 나누거나 코드 내의 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나누기 가능

    : 공유와 보안 측면에서 장점을 가지지만 홀 크기가 균일하지 않은 단점 존재

- 페이지드 세그먼테이션 (paged segmentation)

    : 프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유나 보안 측면에 강점

    : 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 것

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◆  페이지 교체 알고리즘

- 메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 발생

- 스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며, 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 설계

- 오프라인 알고리즘 (Offline Algorithm)

    : 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘

    : 가장 좋은 방법이지만 사용할 수 없다 (??)

    : 가장 좋은 알고리즘이기 때문에 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 상한 기준(upper_bound)을 제공

    : FIFO(First in First Out) -> 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법

    : LRU(Least Recentle Used)

         · 참조가 가장 오래된 페이지를 교체

         · 오래된 것을 파악하기 위해 각페이지마다 계수기, 스택을 두어야하는 문제점 발생

         ex) 아래 그림 처럼 페이지가 들어온다고 가정하였을 때

             5번째에 5번 페이지가 들어왔을 때 가장 오래된 1번 페이지와 스왑 => LRU 방식 

     : 구현을 프로그래밍을 구현할 때는 보통 해시테이블과 이중 연결리스트로 구현

     : 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고, 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 표현

     : C++은 해시 테이블을 unordered_map 으로 구현, 이중 연결리스트는 list로 구현

#include <iostream>
#include <list>
#include <unordered_map>

using namespace std;

class LRUCache {
	list<int> li;
	unordered_map<int, list<int>::iterator> hash;
	int csize;
public:
	LRUCache(int);
	void refer(int);
	void display();
};

LRUCache::LRUCache(int n) {
	csize = n;
}

void LRUCache::refer(int x) {
	if (hash.find(x) == hash.end()) {
		if (li.size() == csize) {
			// 가장 끝에 있는 것을 뽑아낸다.
			// 이는 가장 오래된 것을 의미한다.
			int last = li.back();
			li.pop_back();
			hash.erase(last);
		}
	}
	else {
		li.erase(hash[x]);
	}

	// 해당 페이지를 참조할 때
	// 가장 앞에 붙인다. 또한, 이를 해시 테이블에 저장한다.
	li.push_front(x);
	hash[x] = li.begin();
}

void LRUCache::display() {
	for (auto it = li.begin(); it != li.end(); it++) {
		cout << (*it) << " ";
	}
	cout << endl;
}

int main() {
	// TODO Auto-generated method stub
	LRUCache ca(3);
	int narrEx[] = { 1, 3, 0, 3, 5, 6, 3 };

	for (int i = 0; i < 7; i++) {
		ca.refer(narrEx[i]);
		ca.display();
	}
	return 0;
}

 

결과

    : NUR(Not Used Recently) 알고리즘

         · clock 알고리즘 이라고도 불리며 먼저 0과 1을 가진 비트를 배열

         · 최근에 참조 되었으면 1, 아닐 경우 0

         · 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 프로세스를 교체, 해당 부분을 1로 변경

    : LFU (Least Frequency Used) 알고리즘

         · 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체

 

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위의 글과 관련하여 추가적인 내용이나 피드백은 언제나 환영입니다 :)