Computer Science/Operating System(OS)

Memory Management(1)-메모리 관리

J._.cobb 2022. 3. 21. 02:41

Logical vs. Physical Address

  • Logical address, 논리 주소(= virtual address, 가상 주소)
    • 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
    • 각 프로세스마다 0번지부터 시간
    • CPU가 보는 주소는 logical address 임
  • Physical address, 물리 주소
    • 메모리에 실제 올라가는 위치
  • Symbolic address
    • 프로그래머 입장에서 사용하는 심벌로 된 주소( 쉽게 생각해서 ‘변수’ )

*주소 바인딩: 프로그램이 물리적인 메모리 어디로 올라갈지 메모리 주소를 결정하는 것

Symbolic Address → Logical Address → Physical Address

 

주소 바인딩(Address Binding)

  • Compile time binding
    • 물리적 메모리 주소(physical address)가 컴파일 시 알려짐
    • 시작 위치 변경 시 재 컴파일
    • 컴파일러는 절대 코드(absolute code) 생성
    • 절대 코드: 컴파일 타임 바인딩에 의해 만들어진 코드
  • Load time binding
    • 수행(load) 실행 시 주소변환
    • Loader의 책임하에 물리적 메모리 주소 부여
    • 컴파일러가 재배치 가능 코드(relocatable code)를 생성한 경우 가능
    • 재배치 가능 코드: 항상 특정 위치가 아닌 실행 시 메모리가 비어있는 위치로 올라갈 수 있는 코드

*컴파일 타임 바인딩, 로드 타임 바인딩은 컴파일을 다시 하지 않는 이상 메모리 주소를 바꿀 수 없음.

  • Execution time binding(=Run time binding)
    • 수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리 상 위치를 옮길 수 있는 방법
    • CPU가 주소를 참조할 때마다 binding을 점검(address mapping table)
    • 하드웨어적인 지원이 필요 (e.g., base and limit registers, MMU)

 

  • Compile time binding
    • comile time binding은 컴파일 시점에 이미 물리적인 주소가 결정되어야 하기 때문에 프로그램이 실행될 때 Logical address가 사실상 물리적 메모리 주소로 Fix 됨.
    • 따라서 항상 주어져 있는(이미 결정된 주소)로 메모리에 올려야 하고, 다른 메모리가 비어 있어도 정해진 위치에만 메모리를 올릴 수 있음.
    • 비효율적
    • 예전에, 컴퓨터 실행 시 프로그램을 하나만 실행시킬 수 있는 경우 사용했었음
  • Load time binding
    • 프로그램이 시작되고 ‘실행 시작’ 지점(메모리에 올라갈 때)에서 물리적인 주소를 결정.
    • 논리 주소를 메모리의 비어있는 주소 공간으로 변경하여 올라감.
  • Run time binding
    • 바인딩 시점은 Load time binding과 똑같다.
    • 차이점은, 실행되는 도중에도 물리적 메모리 주소를 이동할 수 있음.
    • 현재의 컴퓨터 시스템이 지원하는 바인딩 방식임

 

Memory-Management Unit(MMU)

  • MMU (Memory-Management Unit)
    • 두 개의 register를 이용하여 주소변환( relocation(base) register, limit register)
    • logical address를 physical address로 매핑해 주는 Hardware device
  • MMU scheme
    • 사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해내는 모든 주소 값에 대해 base register( = relocation register)의 값을 더 한다.
  • user program
    • logical address만을 다룬다.
    • 실제 physical address를 볼 수 없으며 알 필요가 없다.

Dynamic Relocation

 

Hardware Support for Address Translation

  • 운영체제 및 사용자 프로세스 간의 메모리 보호를 위해 사용하는 레지스터
    • Relocation Register(=Base Register)
      • 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최솟값
    • Limit register
      • 논리적 주소의 범위
      • trap을 통해 프로그램이 다른 프로그램의 메모리 영역에 있는 정보를 보려고 하는 것을 방지함

 

Some Terminologies

  • Dynamic Loading
  • Dynamic Linking
  • Overlays
  • Swapping

 

Dynamic Loading

  • 원래는 프로그래머가 OS의 도움 없이 명시적으로 Dynamic Loading을 수행하도록 구현, 그러나 운영체제가 알아서 메모리 관리를 하는 것도 Dynamic Loading이라고 섞어 쓰기도 함.
  • 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load 하는 것
  • memory utilization의 향상
  • 가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용 (ex. 오류 처리 루틴)
  • 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능(OS는 라이브러리를 통해 지원 가능)

*Loading: 메모리로 올리는 것

Overlay

  • 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올림
  • 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용
  • 운영체제의 지원 없이 사용자에 의해 구현
  • 작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머가 구현
    • Manual Overlay : 프로그래머가 완전히 수작업으로 수행하는 Overlay
    • 프로그래밍이 매우 복잡함

 

Swapping

  • Swapping
    • 프로세스를 일시적으로 메모리에서 backing stroe(= swap area)로 쫓아내는 것
  • Backing Store(= swap area)
    • 하드디스크
      • 많은 사용자의 프로세스 이미지를 담을 만큼 충분히 빠르고 큰 저장 공간
  • Swap in / Swap out
    • Swap out: 메모리에서 쫓겨나서 하드디스크로(backing store)로 내려가는 것
    • Swap in: 쫓겨났던 것이 메모리로 다시 올라오는 것
    • 일반적으로 중기 스케줄러(swapper)에 의해 swap out 시킬 프로세스 선정
    • prioirty-based CPU scheduling algorithm
      • prioirty가 낮은 프로세스를 swapped out 시킴
      • prioirty가 높은 프로세스를 메모리에 올려놓음
    • Compile time 혹은 load time binding에서는 원래 메모리 위치로 swap in 해야 함
    • Execution time binding에서는 추후 빈 메모리 영역 아무 곳에나 올릴 수 있음
      • Swapping을 효율적으로 수행 가능
    • swap time은 대부분 transfer time (swap 되는 양에 비례하는 시간) 임
    • 본래 Swapping은 프로그램이 메모리에서 통째로 쫓겨나는 것, 요즘에는 이후에 나올 Paging 기법에서 일부만 쫓겨나는 것도 Swap out 되었다고 표현하기도 함.

 

Dynamic Linking

*Linking: 여러 군데 존재하던 컴파일될 파일들을 하나로 묶어 실행파일을 만드는 과정.

  • Linking을 실행 시간(execution time)까지 미루는 기법
  • Static linking
    • 라이브러리가 프로그램의 실행 파일 코드에 포함됨
    • 실행 파일의 크기가 커짐
    • 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리가 낭비될 수 있음.
  • Dynamic linking
    • 라이브러리가 실행 파일에 포함되지 않았다가 실행 시 연결(link)됨
    • 라이브러리 호출 부분에 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둠
    • stub(라이브러리를 찾을 수 있는 포인터의 역할)만 실행파일에 포함됨
    • 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고 없으면 디스크에서 읽어옴
    • 운영체제의 도움이 필요
    • shared library: Dynamic Linking을 이용한 라이브러리(리눅스: Dynamic object, Windows: DLL)

 

Allocation of Physical Memory

  • 메모리는 일반적으로 두 영역으로 나뉘어 사용
    • OS 상주 영역
      • interrupt vector와 함께 낮은 주소 영역 사용
    • 사용자 프로세스 영역
      • 높은 주소 영역 사용
  • 사용자 프로세스 영역의 할당 방법
    • Contiguous allocation( 연속 할당 )
      • 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것
      • Fixed partition allocation
      • Vaiable partition allocation
    • Noncontiguous allocation( 불연속 할당 )
      • 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있음
      • Paging
      • Segmentation
      • Paged Segmentation

Contiguous Allocation

  • 고정 분할(Fixed partition) 방식
    • 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)로 나눔
    • 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
    • 분할당 하나의 프로그램 적재
    • 융통성이 없음
      • 동시에 메모리에 load 되는 프로그램의 수가 고정됨
      • 최대 수행 가능 프로그램 크기 제한
    • Internal fragmentation 발생 (external fragmentation도 발생)
  • 가변 분할(Variable partition) 방식
    • 프로그램의 크기를 고려해서 할당
    • 분할의 크기, 개수가 동적으로 변함
    • 기술적 관리 기법이 필요
    • External fragmentation 발생

 

Fragmentation

  • External fragmentation (외부 조각)
    • 프로그램 크기보다 분할의 크기가 작은 경우
    • 아무 프로그램에도 배정되지 않은 빈 곳인데도 프로그램이 올라갈 수 없는 작은 분할
  • Internal fragmentation (내부 조각)
    • 프로그램 크기보다 분할의 크기가 큰 경우
    • 하나의 분할 내부에서 발생하는 사용되지 않는 메모리 조각
    • 특정 프로그램에 배정되었지만 사용되지 않는 공간
  • Hole
    • 가용 메모리 공간
    • 다양한 크기의 hole들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있음
    • 프로세스가 도착하면 수용 가능한 hole을 할당
    • 운영체제는 다음의 정보를 유지
      • a) 할당 공간
      • b) 가용 공간 (hole)

 

 

Dynamic Storage-Allocation Problem

  • 가변 분할 방식에서 size n인 요청을 만족하는 가장 적절한 hole을 찾는 문제
  • First-fit
    • Size가 n 이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당
    • 탐색 불필요
  • Best-fit
    • Size가 n 이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당
    • Hole들의 리스트가 크기순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole의 리스트를 탐색해야 함
    • 많은 수의 아주 작은 hole들이 생성됨
  • Worst-fit
    • 가장 큰 hole에 할당
    • 역시 모든 리스트를 탐색해야 함
    • 상대적으로 아주 큰 hole들이 생성됨
  • *실험 결과 First-fit과 bes-fit이 worst-fit 보다 속도와 공간 이용률 측면에서 효과적인 것으로 알려짐
  • compaction
    • external fragmentation 문제를 해결하는 한 가지 방법
    • 사용 중인 메모리 영역을 한 군데로 몰고 hole들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
    • 매우 비용이 많이 드는 방법임
    • 최소한의 메모리 이동으로 compaction 하는 방법 (매우 복잡한 문제)
    • Compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행 가능

 

Noncontiguous allocation

  • Paging
    • 논리 메모리 공간을 같은 크기 페이지로 자르고 페이지 별로 물리 메모리에 올리는 방법
  • Segmentation
    • 논리 메모리 공간을 의미 있는 세그먼트별로 자르고 해당 세그먼트를 물리 메모리에 올리는 방법

 

 

 

 

 

 

 

출처

KOCW :  이화여대 반효경 교수님 <운영체제, 2014>

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