메모리

메모리 계층

• 레지스터 : cpu 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량 가장 적음
• 캐시 : L1,L2 캐시. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량 적다.
• 메모리, 주기억장치 : RAM 을 가리킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량 보통.
• 보조기억장치 : HDD, SDD. 비휘발성, 속도 낮음, 용량 많음.

 

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요시마다 CPU에 빠르기 전달하는 역할.

 

메모리 계층이 존재하는 이유

당연히 빠르고 용량이 클 수록 좋지만 비용 문제가 있다.

또한 속도를 높이면 용량이 부족해지고, 용량을 높이면 속도가 느려진다.

따라서 속도와 용량의 상호보안을 위해 고안한 방법이 메모리 계층이다.

 

자주 쓰이는 데이터는 반복해서 쓰인 다는 것을 참조 지역성 (locality of reference) 라고 한다.

즉 자주 쓰이는 데이터는 계속해서 자주 쓰이고, 아닌 데이터는 계속 자주 쓰이지 않는 다는 것이다.

따라서 자주 쓰이는 데이터를 캐시로 읽어와 메모리까지 가지 않고 한동안 캐시에서 해결한다.

메모리 계층 구조의 아이디어는 프로세서가 필요로 하는 데이터를 최대한 가까운 곳에 위치시켜 속도를 향상 시키는 것.

 

캐시 (cache)

캐시는 메모리를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.

 

메모리와 cpu 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결하는데, 이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 한다.

 

예를들어 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있다.

 

지역성

지역성은 자주 사용하는 데이터에 대한 근거가 된다.

 

시간 지역성은 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성이다.

예를들어 for 문 내부의 변수 i.

 

공간 지역성은 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성.

예를들어 배열에 연속적으로 접근함.

 

캐시히트와 캐시미스

캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트, 못 찾아서 주메모리로 가서 데이터를 찾아야 한다면 캐시 미스.

 

 

메모리 관리

운영체제의 대표적인 할 일 중 하나가 메모리 관리.

한정된 메모리 자원을 극한으로 활용하는 것.

 

가상 메모리

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

메인 메모리보다 더 큰 메모리가 필요한 프로세스를 실행할때 도와주는 역할.

 

가상적으로 주어진 주소를 가상 주소 (logical address) 라고 하며, 

실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소 (physical address) 라고 한다.

 

가상 주소는 메모리관리장치 (MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕 분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할수 있다.

 

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 페이지 테이블로 관리된다.

이때 속도 향상을 위해 TLB (Translation Lookaside Buffer) 를 쓰는데,

TLB 란 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다.

페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 cpu가 RAM에 저장되있는 페이지 테이블까지 가지 않도록해 속도를 향상시킨다.

 

페이지와 프레임

페이지 : fixed-sized block of logical memory.

프레임 : fixed-sized block of physical memory.

스와핑

주기억장치에 적재한 하나의 프로세스를 보조기억장치에 잠시 적재했다가 다시 꺼내서 사용하는 메모리 기법.

 

만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다.

이를 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 코드 영역을 하드디스크로 옮겨 필요할 때 다시 RAM 으로 불러와 올리고, 내리고 를 반복하며 RAM 을 효과적으로 관리하는 것.

 

페이지 폴트

프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생.

 

1. cpu는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩(소프트웨어 인터럽트)를 발생해서 os에 알림.
2. 운영체제는 cpu의 동작을 잠시 멈춤
3. os는 페이지 테이블을 확인해 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임(fixed-size block of physical memory)이 있는지 찾는다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동된다.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고 페이지 테이블을 최신화한다.
5. 중단되었던 cpu를 다시 시작한다.

 

스레싱 (thrashing)

스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나 발생한다.

 

페이지 폴트가 일어남 -> cpu 이용률 낮아짐 -> 운영체제는 cpu가 한가하다고 판단해 가용성 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올림 -> 스와핑 발생률 상승 -> 메모리의 페이지 폴트율 상승 -> ...

 

해결방법은 메모리를 늘리거나, hdd를 sdd로 바꿈.

os에서 해결하는 방법은 작업세트와 pff가 있다.

 

작업 세트 (working set)

프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어 미리 메모리에 로드하는 것.

미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄이고 스와핑 또한 줄일수 있다.

 

 

메모리 할당

연속 할당

메모리에 연속적으로 공간을 할당하는것.

 

고정 분할 방식은 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식.

내부 단편화가 발생한다.

내부 단편화란 메모리를 나눈 메모리 조각(파티션)의 크기가 프로세스의 크기보다 클 때 발생.

 

가변 분할 방식은 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용.

메모리를 나눈 크기보다 프로세스가 커서 들어가지 못하는 공간이 발생하는 외부 단편화가 발생.

 

불연속 할당

메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은, 현대 운영체제가 쓰는 방법인 페이징 기법이 있다.

메모리를 동일한 크기의 페이지(보통 4kb)로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것.

페이징은 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 서로 다른 위치에 할당한다.

홀의 크기가 윤일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해진다.

 

세그멘테이션은 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식.

 

 

페이지 교체 알고리즘

메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑은 발생할수 밖에 없다.

스와핑이 많이 일어나지 않도록 설계해야 하며 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어난다.

 

오프라인 알고리즘

오프라인 알고리즘은 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며 가장 좋은 방법이다.

하지만 미래에 사용되는 프로세스를 알수 있는 방법은 없어 사용할수 없는 알고리즘이지만 다른 알고리즘과의 성능 비교를 위한 기준이다.

 

FIFO (First in first out)

가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법.

 

LRU (Least recently used)

참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다.

오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기,스택을 두어야 하는 문제가 있다.

5번째) 1이 다시 들어왔을때 페이지 히트,

7번째) 5가 테이블에 없으므로 페이지 폴트, 참조 가장 오래된 3과 교체.

 

NUR (Not Used Recently)

LRU에서 발전한 알고리즘.

클락 알고리즘이라고도 한다.

참조 비트를 순차적으로 조사하며 동작한다.

1은 최근에 참조되었음을, 0은 참조되지 않았음을 의미한다.

시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순곤 해당 프로세스를 교체하고 1로 바꾼다.