28. 운영체제 [가상메모리, 스와핑, 페이지폴트, 스레싱, 메모리 할당]

28. 운영체제 [가상메모리, 스와핑, 페이지폴트, 스레싱, 메모리 할당]

출처 : 면접을 위한 CS전공지식 노트(책 / 강의)

 

가상 메모리

메모리 관리 기법의 하나로 기계에 실제 이용 가능한 기억 자원을 이상적으로 추상화하여 사용자들에게 매우 큰 (주) 메모리로 보이게 만드는 것이다

주로 멀티테스킹 운영 체제에서 사용되고, 주 기억 장치 (RAM) 보다 큰 메모리 영역을 제공하는 방법으로도 사용된다

 

가상으로 가상 주소 또는 논리 주소가 주어지고, 실제 메모리 상에는 물리 주소 또는 실 주소가 있다

• 여기서 가상 주소는 MMU(Memory Management Unit), 메모리 관리 장치를 통해 실제 주소로 변환된다
• TLB, '페이지 테이블'을 기반으로 가상 주소에서 물리 주소로 변환이 된다
  • TLB는 메모리와 CPU 사이에 있는 캐시다

 

 

스와핑

가상 메모리에는 존재하지만, 실제 RAM에 존재하지 않은 데이터를 접근하면 페이지 폴트가 발생한다

이때 RAM에 사용하지 않는 영역과, 필요한 영역을 하드 디스크와 바꾸는 것을 스와핑이라고 한다

• 이렇게 스와핑이 일어나면, 페이지 폴트가 없는 것처럼 진행될 수 있

 

페이지 : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

프레임 : 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

 

페이지 폴트

스와핑에서 설명했던 것과 같이, 가상 메모리에는 존재하는 데이터인데, RAM에는 없는 데이터가 있을 때 발생하는 것이다

1. 페이지가 접근이 허용되는지 안 되는지 확인을 한다
2. 접근이 허용이 안 될 경우, 트랩을 발동시키면서, 모든 프로세스가 중단된다
3. 시스템 내에 프레임을 프레임 리스트에서 찾는다
4. 물리 메모리에 없었던 페이지를 넣는다
5. 페이지 테이블에 없었던 페이지를 넣어 최신화 한다
6. 다시 작동을 시킨다

 

 

스레싱 (Thrashing)

페이지 폴트가 너무 많이 일어날 때를 의미한다

페이지 폴트가 너무 많을 경우, 스와핑이 증가한다는 것인데, 이때 컴퓨터의 성능 저하로 이어진다

스와핑을 할 때에는 CPU 이용률이 낮아지고, 운영체제에서는 CPU가 일을 안 하는 줄 알고, 일을 계속 주게 된다

• 이게 계속 반복이 되면서 스레싱이 일어난다

 

메모리를 늘리거나, HDD에서 SDD로 넘어가며 스레싱을 해결할 수 있다

 

작업 세트

• 과거에 사용했던 이력을 통해 페이지 집합을 만들어 미리 메모리에 로드를 하는 것이다
• 예전에 사용했던 페이지 집합을 가지고 미리 메모리에 로드를 할 경우, 탐색이 줄어들고, 스와핑도 줄일 수 있다

 

PFF (Page Fault Frequency)

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메모리 할당

메모리에 프로그램을 할당할 때에 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당을 한다

메모리 할당은 연속 할당과, 불연속 할당으로 나뉜다

 

연속 할당

• 연속된 하나의 큰 메모리에서 프로세스에 메모리를 할당시켜주는 것이다
• 프로세스가 순차적으로 공강에 할당이 되는 것이다

 

고정 분할 방식

• 메모리를 미리 나누어 관리한다
• 메모리가 이미 나누어졌기 때문에, 프로그램을 넣을 때 공간보다 작아서 남는 공간이 생기거나, 커서 못 넣는 경우가 있을 수 있다

내부 단편화 : 아래의 그림에서 적재할 프로세스 20MB가 있는데 빈 공간 A와 빈 공간 B에 넣으면, 남는 메모리가 생긴다. 이것이 내부 단편화다

외부 단편화 : 프로그램이 더 커서 메모리 안에 못 들어가는 경우

홀 : 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간을 뜻한다

 

가변 분할 방식

• 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나누는 것이다
• 내부 단편화는 발생하지 않지만 외부 단편화는 발생할 수 있다

최초적합 : 위에서 아래로 빈 공간, 홀을 찾으면서, 제일 첫 번째 홀을 찾는 것이다

최적적합 : 프로세스 크기가 더 크면서, 남은 공간이 제일 적은 공간이다

최악적합 : 프로세스 크기가 더 크면서, 남은 공간이 제일 많은 공간이다

 

 

불연속 할당

• 순차적으로 메모리를 할당하는 것이 아니다
• 하나의 프로세스가 물리적인 메모리의 여러 위치에 분산되어 올라갈 수 있는 메모리 할당 기법이다

 

페이징

• 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당하는 것이다
• 들어오는 프로세스를 나눠서 메모리에 올려 놓는 것이라서 홀에 대한 문제는 없어진다
• 하지만, 메모리에 분산되서 저장한 프로세스를 찾으려면, 주소 변환 절차가 연속할당 방식에 비해 복잡해진다

 

세그멘테이션

• 세그먼트 단위로 나누는 것이다
• 코드와 데이터를 기반으로, 종류별로 나누는 것이다
  • 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙으로 나눌 수 있는데, 각각 코드, 데이터, 스택, 힙 별로 나누는 것이다
  • 공유와 보안 측면에서 좋다 / 주소 변환도 복잡해지지 않는다
  • 홀 크기가 균일하지 않다

 

페이지드 세그멘테이션

• 페이지와 세그멘테이션을 합친 것이다
• 공유와 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나눈다

 

페이지 교체 알고리즘

메모리가 한정적이라서 스와핑이 많이 일어난다

하지만 스와핑이 너무 많이 일어나면, 문제가 생길 수 있기 때문에, 페이지 교체 알고리즘을 통해 스와핑을 최소화 시킨다

 

오프라인 알고리즘

• 제일 좋은 방법을 제공하는 알고리즘
• 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이다
  • 미래에 사용될 프로세스를, 현재 할당되는 페이지와 스와핑을 하는 것이다
  • 하지만 미래에 사용될 프로세스를 정확하게 예측할 수 없다

 

FIFO (First In First Out)

• 가장 먼저 들어온 페이지를, 스와핑을 할 때에, 제일 먼저 스와핑을 한

 

LRU (Least Recently Used)

• 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾸는 것이다

 

NUR (Not Used Recently)

• LRU에서 발전된 알고리즘이다
• 1과 0을 가진 비트를 사용하는데, 0은 최근에 참조되지 않았을 때, 1은 최근에 참조되었을 때를 의미한다

 

LFU (Least Frequently Used)

• 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 것이다