[OS] 메모리 관리 (Memory Management)


floatFirstTOC: right

🖥️ 목표 🔍 Single/Batch Programming 🔍 Multiprogramming 💡 1. Fixed Partitions 📌 물리 메모리를 일정한 크기의 파티션으로 분할 📌 1-1. Advantages 📌 1-2. Problems 📌 1-3. Improvement 💡 2. Variable Partitions 📌 파티션의 크기를 고정하지 않고 요청 때마다 할당 📌 2-1. Advantages 📌 2-2. Problems 📌 2-3. Improvement 💡 3. Overlays 📌 당장 필요한 코드를 적재, 다음 필요한 코드를 적재 📌 3-1. Advantages 📌 3-2. Problems 💡 4. Swapping (요즘 Swap과는 다름)📌 메모리에서 백업 저장소(HDD)로 임시 스왑 📌 4-1. Problems 🔍 Virtual Memory 📌 메모리 참조를 위해 가상의 주소를 사용함 📌 Virtual Address 📌 Memory access 순서 📌 Advantages

💡

운영체제가 어떻게 잘 메모리를 나눠줄 것이냐에 대한 탐구

🖥️ 목표

프로그래밍을 위한 편리한 추상화 제공

부족한 메모리 자원을 경쟁 프로세스간 할당 → 최소한의 오버헤드

프로세스 간 고립된 환경 제공

🔍 Single/Batch Programming

간단하게, 하나의 프로세스를 위한 것이므로 메모리를 다 쓰면 된다.

🔍 Multiprogramming

한 번에 여러 프로세스를 돌려야 함

여러 작업의 I/O 및 CPU가 오버랩
각 프로세스는 연속적인 공간과 요구하는 메모리 사이즈가 다름

요구사항

보호 : 각 프로세스가 사용하는 주소 공간을 제한해야 함
빠른 변환 : 가상 메모리에서 물리 메모리로의 변환이 빨라야 함
빠른 context switch : (보호 및 변환을 위해) 메모리 하드웨어 업데이트가 빨라야 함

💡 1. Fixed Partitions

📌 물리 메모리를 일정한 크기의 파티션으로 분할

각 파티션은 고정되어 있고, 같은 크기를 가진다.

파티션의 수가 동시에 돌아갈 수 있는 프로세스의 수이다.

하드웨어로는 base register 하나만 필요하다.

물리 메모리 주소 = 가상 메모리 주소 + base register
context switch 가 일어날 때마다 base register 도 바뀜

📌 1-1. Advantages

구현하기 쉽고, 레지스터 하나만 바뀌므로 context switch 가 저비용임!

📌 1-2. Problems

내부 단편화

파티션 내부가 낭비된다. 아래 사진에서 빨간색 부분만 사용해도 되는데, 크기가 고정되어 있어 남는 공간이 생기게 된다.

파티션 사이즈 문제

파티션의 사이즈를 얼마로 지정해야 할 지에 대한 고민이 생긴다.

📌 1-3. Improvement

파티션의 크기가 항상 같을 필요는 없다! 큰 메모리 공간을 쓰는 프로세스는 큰 파티션에, 작은 메모리 공간을 쓰는 프로세스는 작은 파티션에 넣을 수 있다.

이러한 식으로 파티션을 구성한다면,

First fit allocatio : 제일 처음 비어있는 파티션에 할당

→ 상대적으로 단순하지만, 내부 파편화가 일어날 가능성이 커짐

Best fit allocation : 프로세스에 적합한 파티션에 할당

→ 메모리를 얼마나 쓸 것인지 미리 알기가 힘들고, 적합한 파티션을 찾아야 하므로 오버헤드가 발생

💡 2. Variable Partitions

📌 파티션의 크기를 고정하지 않고 요청 때마다 할당

가용 가능한 사이즈의 파티션으로 나눈다.

하드웨어로는 base register 와 limit register 가 필요하다.

limit register 는 파티션의 크기
Offset 이 limit register 보다 작으면 통과

이해한 바

base : 1000

limit : 400

메모리 주소 1200에 쓰려고 함 → offset : 200

200 < 400 이므로 yes

할당하는 방식

First fit : 가장 첫 번째 공간에 삽입
Best fit : 가장 작은 공간을 찾아 삽입 (오버헤드 증가)
Worst fit : 가장 큰 공간에 삽입 (내부 단편화 증가)

📌 2-1. Advantages

내부 단편화가 존재하지 않는다. 필요한 만큼 할당하기 때문!

📌 2-2. Problems

외부 단편화

파티션의 외부가 낭비된다. 파티션이 계속 생성되고, 해제된 파티션이 생겼을 시 그 공간이 충분하지 않다면 다시 파티션을 할당할 수 없다.

📌 2-3. Improvement

외부 단편화를 해결하는 법

Compaction : 압축

메모리를 전부 연속적으로 적재되도록 옮긴 후 새로운 파티션 삽입 → 굉장히 오버헤드가 커진다!

Paging and Segmentation

페이징 기법과 세그멘테이션 기법 활용, 추후 나옴

💡 3. Overlays

💡

프로그램의 전체 코드를 메모리에 적재할 수 없을 때 사용

📌 당장 필요한 코드를 적재, 다음 필요한 코드를 적재

과거에 매우 제한된 메모리 공간을 가졌을 때 사용되었던 기술이다.

메모리에 당장 필요한 instructions 과 data 만을 적재한 후, 코드 실행 중에 다른 기능이 필요할 때 다음 필요한 코드가 적재되는 형식이다.

📌 3-1. Advantages

실제 메모리 크기보다 프로세스가 요구하는 메모리의 크기가 더 클 때 유용

운영체제의 도움이 필요하지 않음

📌 3-2. Problems

프로그래머가 구현해야 하므로 코드가 매우 복잡해진다.

💡 4. Swapping (요즘 Swap과는 다름)

📌 메모리에서 백업 저장소(HDD)로 임시 스왑

연속적인 실행을 위해 다시 메모리로 불러옴

저장소의 종류

빠른 디스크
모든 메모리 이미지의 사본을 수용할 수 있을 만큼 충분히 큰 디스크
이러한 메모리 이미지에 반드시 이러한 직접 접속할 수 있어야 함

📌 4-1. Problems

I/O 장치를 읽고 쓰는 시간이 생김

보류 중인 I/O 명령이 있는 프로세스를 스왑하면 안됨

현대의 OS들은 향상된 Swapping 기법을 사용 (demand paging)

🔍 Virtual Memory

가상 메모리 주소는 컴파일 시 결정되므로 프로그램을 종료한 후 다시 실행해도 한 변수의 가상 메모리 주소는 같다! → 물론 현대의 OS에서는 해킹 방지 등을 위해 달라질 수 있다.

📌 메모리 참조를 위해 가상의 주소를 사용함

크고 연속적이어서 사용하기 편함

runtime 시간에 CPU와 OS가 주소 변환을 수행함

물리 메모리가 필요에 따라 동적으로 할당, 또는 해제됨

전체 주소 공간이 물리적 메모리에 상주할 필요가 없음!
지연 로딩

가상 주소는 각 프로세스에게 비공개!

각 프로세스에는 격리된 가상 공간이 있고, 다른 프로세스가 볼 수 없음

📌 Virtual Address

결국 궁극적으로 멀티프로그래밍을 편하게 하기 위해 가상 메모리를 만듦

가상 주소는 참조되는 데이터의 실제 물리적 위치와 무관함

OS가 물리 메모리 안의 데이터의 위치를 결정함

📌 Memory access 순서

CPU가 실행하는 명령어는 가상 주소를 생성

가상 주소는 OS가 도와주는 하드웨어에 의해 물리적 주소로 변환

하나의 프로세스는 하나의 가상 주소 공간을 가지게 됨

📌 Advantages

프로그래머에게 크고 연속적인 가상 공간을 보여줄 수 있음!

프로그래머가 물리 메모리보다 큰 VAS 를 사용할 수 있음!

→ 메모리에 완전히 들어가지 않는 큰 프로세스를 실행할 수 있음

더 많은 프로그램을 동시 실행 가능

더 적은 I/O 필요 (페이지 스왑 등)

→ why? 메모리를 통째로 내리거나 올리는 것 보다는 훨씬 저렴함

→ 각 프로그램을 메모리에 로드하거나 스왑하는 데 필요한 I/O 감소

프로세스가 파일과 주소 공간을 쉽게 공유 가능 (Page의 Frame을 대응함으로서)

프로세스 생성과 보호가 효율적