[TIL] 프로세스 메모리

krkorklo·2022년 8월 18일

가상메모리 메모리 프로세스

TIL

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프로세스 메모리

프로세스는 실행되고 있는 프로그램으로 프로세스는 각 메모리 공간을 시스템으로부터 할당받는다

Text(code)
- 코드와 상수가 정의
- CPU가 해당 영역에서 명령어를 하나씩 가져와 처리
- 읽기만 가능해 데이터를 저장하려고하면 충돌이 발생해 프로세스가 중지
Data
- 전역 변수와 정적 변수가 저장되어있는 영역
- 초기화된 전역 변수가 존재 (비휘발성 메모리 ROM에 저장)
- BSS(Block Stated Symbol) : 초기화되지 않은 전역 변수가 저장
Heap
- 필요에 따라 동적으로 할당되는 동적 메모리 영역
- 메모리 주소값에 의해서만 참조되는 영역
- 런타임(프로그램 동작 시)에 크기가 결정
Stack
- 함수 인자값, 함수 내 지역 변수, 함수 반환 주소 등(잠시 사용되었다가 사라지는 데이터)이 저장되는 영역
- 함수 호출의 전반적인 처리와 리턴을 담당
- 컴파일 타임(로드 시)에 크기가 결정

스택 프레임

함수가 호출되었을 때 함수가 가지는 공간 구조
함수가 동작을 종료하고 복귀 주소로 돌아갈 때 스택 프레임은 소멸
SP(Stack Pointer) : 현재 위치를 가리키는 레지스터
BP(Base Pointer = Frame Pointer) : 함수의 시작 시점으로 스택 프레임이 소멸하기 전까지 고정값으로 해당 값을 기준으로 삼아 상대적 주소, Offset을 사용할 수 있다

프로세스 메모리 관리 - Node.js

V8 Engine

JavaScript는 인터프리터 언어(코드를 한줄씩 읽어가며 명령을 바로 처리 - 번역과 실행이 동시에 발생)로 코드를 해석하고 실행하는 실행기가 필요 → V8 Engine
JS를 Assembly code로 컴파일
Node.js는 V8 Engine을 떼어와서 JS를 실행할 수 있는 자바스크립트 런타임

JIT Compiler

JIT Compiler(Just-In-Time)는 동적 컴파일(인터프리터)과 정적 컴파일(Compiler)을 합친 것으로 실행시점에서 인터프리터 방식으로 바이트 코드를 생성
바이트 코드를 기계어 코드로 만들고 캐싱해 같은 함수가 여러번 불릴 때 매번 기계어 코드가 생성되는 것을 방지 (인터프리터의 비효율성 보완)

V8 Engine은 JavaScript 컨텍스트 당 하나의 프로세스를 사용
→ Resident Set
메모리를 크게 Stack, Heap 영역으로 구분
- Heap
  - New 영역과 Old 영역으로 나뉘어 Garbage Collection으로 관리
  - New Space : 짧은 생명주기를 가져 Minor Garbage Collection에 의해 관리
  - Old Space : 두 번의 Minor Garbage Collection 주기동안 New Space에서 살아남은 객체들로 Major Garbage Collection에 의해 관리
  - Large Object Space : 매우 큰 객체들이 존재해 Garbage Collection에 걸리지 않음
  - Code space : JIT 컴파일러가 컴파일된 코드 블록을 저장 - 실행 가능한 메모리가 존재
- Stack
  - Frame 단위로 묶여서 올라간다
  - 함수가 호출되면 해당 함수 이름으로 된 Frame 영역이 생기며 함수가 끝나기 전까지 해당 Frame 영역에 변수들이 적재
Minor Garbage Collection (Scavenger)
- New Space 영역을 정리하는 역할
- 새 객체를 위한 공간을 예약하기 위해 할당 포인터가 증가할때 포인터가 공간의 끝에 도달하면 GC가 트리거
- 자주 발생하며 빠르게 진행
Major Garbage Collection
- Old Space 영역을 정리하는 역할
- Old Space 공간이 부족하다고 판단할 때 트리거

가상 메모리

메모리를 관리하는 방법 중 하나로 각 프로그램에 실제 메모리 주소가 아니라 가상의 메모리 주소를 주는 방식
→ 실제 물리 메모리가 가지고 있는 크기를 논리적으로 확장해서 사용 가능

물리 메모리가 가진 공간 이상으로 데이터를 저장할 수는 없지만 주기억장치나 레지스터 등의 공간을 연속적으로 가상 공간에 매핑
가상 메모리는 페이지 단위, 물리 메모리는 프레임 단위로 관리

페이징

Virtual Memory의 Page가 하나의 Frame을 할당받으면 물리 메모리에 위치
Frame을 할당받지 못한 페이지는 외부 저장장치에 저장

Page Table

프로세스의 페이지 정보를 저장하고 있는 테이블
Page에 매핑되는 Frame을 찾을 때 참조
key : 페이지 번호
value : Page와 매핑된 Frame번호

페이지 번호(P)를 사용해 페이지 테이블에 접근
Page Table에서 해당 번호에 해당하는 Frame 시작 주소를 얻음
프레임 시작 주소(F)와 변위(d)를 통해 물리 주소에 접근

가상 주소를 물리 주소로 변환하는 과정은 MMU라는 하드웨어가 실행
TLB(Translation Look aside Buffer) - 페이지 정보 캐시에서 가상 주소를 검색 후 엔트리가 존재하면 바로 물리 메모리로 주소 변환 후 데이터를 가져오고, 엔트리가 없다면 페이지 테이블을 참조해서 변환

페이지가 실제 물리 메모리에 없을 때 Page Fault Interrupt 발생
Page Fault가 발생하면 운영체제가 해당 페이지를 물리 메모리에 올림

페이지 테이블 종류
1. Multi-level Page Table : 페이지 테이블을 여러 단계로 쪼개어 사용
2. Hashed Page Table : 해시 데이블에 존재하는 엔트리를 참조해서 물리 주소를 찾음
3. Inverted Page Table : 프로세스 별 페이지 테이블이 아닌 시스템 하나만의 페이지 테이블을 두는 방식

페이지 교체 정책

1. FIFO

가장 먼저 메모리에 올라온 페이지를 가장 먼저 내보냄
구현이 간단하지만 성능이 좋지 않음

2. OPT(Optimal) 알고리즘

앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체
Page Fault 발생이 가장 적지만 실제로 구현 불가한 정책

3. LRU 알고리즘

가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체
성능이 좋은 편으로 많은 운영체제가 채택

4. LFU 알고리즘

가장 참조횟수가 적은 페이지를 교체
교체 대상이 여러 개면 가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체

5. MFU 알고리즘

LFU와 반대로 참조 횟수가 가장 많은 페이지를 교체

6. NUR(Not Used Recently) 알고리즘 - Clock

최근에 사용하지 않은 페이지를 교체하지만 교체되는 페이지의 참조 시점이 가장 오래되었다는 것은 보장하지 못함
동일 그룹 내에서 무작위의 선택
Reference Bit : 페이지가 참조되지 않았을 때 0, 참조되었을 때 1
Modified Bit : 페이지의 내용이 변경되지 않았을 때 0, 변경되었을 때 1

Fragmentation

메모리 공간이 작은 조각으로 나뉘어 사용 가능한 메모리가 충분하게 존재하지만 할당이 불가능한 상태
External Fragmentation : 메모리가 할당되고 해제되며 작은 메모리가 중간중간 존재 → 사용하지 않는 메모리가 많이 존재해 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황
Internal Fragmentation : 메모리를 할당할 때 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어서 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비되는 상황

Fragmentation 해결 방법

Paging 기법
- 가상 메모리를 사용해 External Fragmentation을 해결하는 방법
- 가상 메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 페이지라 하고 RAM을 페이지와 같은 크기로 나눈 것을 프레임이라 할 때, 사용하지 않는 프레임을 페이지에 옮기고, 필요한 메모리를 페이지 단위로 프레임에 옮기는 기법
- 페이지와 프레임을 대응시키기 위해 page table 필요
- 연속적이지 않은 공간도 활용할 수 있어 External Fragmetation 문제 해결 가능
- 필요한 메모리가 page의 배수가 아닌 경우 Internal Fragmentation 발생
- 페이지 크기를 작게하면 Internal Fragmentation 문제를 해결할 수 있지만 paging mapping 과정이 많아져 비효율적일 수 있음
Segmentation 기법
- 가상 메모리를 사용해 Internal Fragmentation을 해결하는 방법
- 가상 메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위 세그먼트로 분할해서 메모리를 할당하는 방식
- 세그먼트들의 크기가 달라 미리 분할할 수 없고 메모리에 적재될 때 빈 공간을 찾아 할당
- mapping을 위한 세그먼트 테이블이 필요
- 필요한 만큼 할당받아 Internal Fragmentation을 일어나지 않지만 중간에 프로세스가 메모리를 해제하면 생기는 External Fragmentation은 존재
Memory Pool
- 필요한 메모리 공간을 필요한 크기, 개수만큼 사용자가 직접 지정해서 미리 할당받아놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 기법
- 할당과 해제가 반복되며 Fragmentation을 발생시킬 수 있으나 미리 공간을 할당하고 쓴 후 반납하기 때문에 External Fragmentation가 발생하지 않고 필요한 크기만큼 할당받아 Internal Fragmentation도 발생하지 않음
- 메모리의 할당, 해제가 잦은 경우 효과적
- 할당하고 사용하지 않는 순간에도 할당되어 있으므로 메모리 누수가 존재