Memory

운영체제(OS) 에서 메모리 관리는 시스템의 안정성과 성능을 보장하는 핵심 요소임.

메모리 관리는 여러 가지 기법을 사용하여 프로세스가 필요로 하는 메모리를 할당하고 해체하며, 효율적으로 활용할 수 있도록 함.

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1. 메모리 계층 구조(Memory Hierarchy)

메모리는 속도와 크기에 따라 계층적으로 구성됨. 일반적으로 다음과 같은 구조를 가짐.

1. 레지스터(Register) : CPU 와 RAM 사이에 위치하며, 가장 빠른 속도를 가짐.(나노초 단위)

2. 캐시(Cache Memory) : CPU와 RAM 사이에 위치하며, L1, L2, L3 캐시로 구분됨.

3. 주 메모리(Main Memory, RAM) : 실행 중인 프로세스가 직접 사용하는 공간.

4. 가상 메모리(Virtual Memory) : 물리적 메모리가 부족할 때 디스크를 메모리처럼 사용.

5. 보조 저장장치(Storage, HDD/SDD) : 장기 저장 용도로 사용되며, 접근 속도가 가장 느림.

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2. 주소 공간과 주소 변환(Addressing & Translation)

프로세스가 사용하는 주소는 논리 주소(Logical Address) 또는 가상 주소(Virtual Address) 이며, 실제 메모리에서 위치인 물리 주소(Physical Address) 로 변환됨.

이를 담당하는 장치가 메모리 관리 유닛(MMU, Memory Management Unit) 임.

주소 바인딩(Address Binding)

주소 바인딩은 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 방식으로, 다음과 같이 나뉨.

1. 컴파일 타임 바인딩(Compile Time Binding)

   1. 프로그램이 컴파일될 때 주소가 결정됨.

   2. 실행 중에 위치 변경이 불가능함.

2. 로드 타임 바인딩(Load Time Binding)

   1. 프로그램이 로드될 때 실제 주소가 결정됨.

   2. 실행 전이라면 재배치 가능

3. 실행 시간 바인딩(Execution Time Binding)

   1. 프로그램이 실행 중에도 주소가 동적으로 변경될 수 있음.

   2. 가상 메모리에서 사용됨.

주소 변환 방식

• 베이스(Base) 레지스터 + 한계(Limit) 레지스터 방식 : 프로세스의 시작 주소와 크기를 관리

• 페이지 테이블(Page Table) : 논리 주소를 물리 주소로 변환

• 세그먼트 테이블(Segment Table) : 세그먼트 단위의 메모리 관리를 수행

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3. 연속 메모리 할당(Contiguos Memory Allocation)

프로세스에 연속된 메모리 블록을 할당하는 기법임.

고정 분할(Fixed Partitioning)

• 메모리를 일정한 크기로 분할하여 관리

• 내부 단편화(Internal Fragmentation) 발생 가능

가변 분할(Variable Partitioning)

• 프로세스 크기에 맞게 메모리를 동적으로 할당.

• 외부 단변화(External Fragmentation) 발생 가능

단편화(Fragmentation)

• 내부 단편화(Internal Fragmentation) : 프로세스가 할당받은 공간보다 작은 크기를 사용하여 메모리가 낭비됨.

• 외부 단편화(External Fragmentation) : 가변 크기의 메모리 할당 후 빈 공간이 조각나서 사용하지 못하는 공간이 발생

해결방법

• 압축 : 메모리의 빈 공간을 한 곳으로 모아 큰 공간을 확보

• 페이징 또는 세그멘테이션(Segmentation) 사용.

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4. 페이징 과 세그멘테이션

연속된 메모리 할당의 단점(외부 단편화)을 해결하기 위해 비연속적인 메모리 할당 기법이 사용됨.

페이징(Paging)

• 메모리 고정 크기(페이지 단위)로 나누어 관리

• 페이지 테이블(Page Table) 을 사용하여 논리 주소를 물리 주소로 변환.

• 외부 단편화가 발생하지 않지만, 내부 단편화 가능

페이지 테이블(Page Table) 구조

• 기본 페이지 테이블 : 프로세스마다 별도의 테이블을 유지

• 다단계 페이지 테이블(Multi-level Page Table) : 페이지 테이블이 너무 클 경우 계층적으로 저장

• TLB(Translation Lookaside Buffer) : 페이지 테이블 조회 속도를 높이기 위한 캐시

세그멘테이션(Segmentation)

• 프로세스를 논리적인 단위(코드, 데이터, 스택 등)로 나누어 메모리를 관리

• 세그먼트 테이블(Segment Table) 을 사용하여 변환

• 외부 단편화가 발생할 수 있음.

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5. 가상 메모리(Virtual Memory)

가상 메모리는 실제 RAM 보다 더 큰 메모리 공간을 제공하는 기술임. 프로세스는 전체 프로그램을 로드하지 않고 필요한 부분만 실행함.

페이지 교체(Page Replacement) 알고리즘

가상 메모리에서 페이지가 가득 차면, 오래된 페이지를 제거하고 새로운 페이지를 로드해야 함.

1. FIFO(First-In-First-Out) : 가장 먼저 들어온 페이지를 제거

2. LRU(Least Recently Used) : 가장 오래 사용되지 않은 페이지를 제거

3. Optimal(OPT) : 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 제거

4. LFU(Least Frequently Used) : 가장 적게 사용된 페이지를 제거

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6. 스와핑(Swapping)

• 실행 중인 프로세스를 디스크에 저장하고 필요할 때 다시 불러오는 기법

• 메모리 부족 시 사용되며, 컨텍스트 스위칭(Context Switching) 비용이 발생

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7. 캐시 메모리(Cache Memory)

CPU 와 메모리 간 속도 차이를 줄이기 위해 사용되는 고속 메모리

캐시 매핑 방식

• 직접 매핑(Direct Mapping) : 메모리의 특정 블록을 특정 캐시 라인에 매핑

• 연관 매핑(Associative Mapping) : 모든 캐시 라인에 데이터를 저장 가능

• 세트 연관 매핑(Set-Associative Mapping) : 직접 매핑과 연관 매핑의 절충안

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8. 메모리 보호(Memory Protection)

운영체제는 각 프로세스가 자신의 메모리만 접근할 수 있도록 보호함.

메모리 보호 기법

• 베이스(Base) 와 리미트(Limit) 레지스터 사용

• 페이지 보호 비트(Protcetion Bit) 활용.

• MMU와 커널 모드(Kernel Mode) 지원

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9. NUMA(Non-Uniform Memory Access)

• 멀티코어 및 멀티 프로세서 시스템에서 각 CPU가 로컬 메모리를 가지며, 비균일한 메모리 접근 속도를 가짐.

• NUMA 시스템에서는 프로세스 가 로컬 메모리 를 우선적으로 사용 하여 성능을 최적화 함.