메모리 계층 구조와 메모리 관리 핵심

메모리 계층 구조

• 메모리는 컴퓨터 시스템 여러 곳에 계층적으로 존재
  - CPU 레지스터 - CPU 캐시 - 메인 메모리 - 보조기억장치
  - CPU 레지스터에서 보조기억장치로 갈수록
  1) 용량 증가
  2) 가격 저렴
  3) 속도 저하
  - 메모리 계층 구조의 중심 - 메인 메모리
  
• 메모리 계층화의 목적
  - 빠른 프로그램 실행을 위해 CPU의 메모리 엑세스 시간을 줄이기 위함
  

메모리 계층구조의 특성

	CPU 레지스터	L1/L2 캐시	L3 캐시	메인 메모리	보조기억장치
용도	몇 개의 명령과 데이터 저장	한 코어에서 실행되는 명령과 데이터 저장	멀티 코어들에 의해 공유. 명령과 데이터 저장	실행 중인 전체 프로세스들의 코드와 데이터, 입출력 중인 파일 블록들 저장	파일이나 데이터베이스, 그리고 메모리에 적재된 프로세스의 코드와 데이터의 일시저장
용량	바이트 단위. 8~30개 정도. 1KB 미만	KB 단위 (Core i7의 경우 32KB/256KB)	MB 단위(Core i7의 경우 8MB)	GB 단위 (최근 PC의 경우 최소 8GB 이상)	TB 단위
타입		SRAM (static RAM)	SRAM (static RAM)	DRAM (Dynamic RAM)	마그네틱 필드나 플래시 메모리
속도	<1ns	<5ns	<5ns	<50ns	<20ms
가격		고가	고가	보통	저가
휘발성	휘발성	휘발성	휘발성	휘발성	비휘발성

메모리 계층화 - 성능과 비용의 절충

1) 계층화

• 계층화 과정
  - CPU 성능 향상 -> 더 빠른 메모리 요구 -> 작지만 빠른 off-chip 캐시 등장 -> 더 빠른 액세스를 위해 on-chip 캐시 -> 멀티 코어의 성능에 적합한 L1, L2, L3 캐시
  - 컴퓨터의 성능 향상 -> 처리할 데이터도 대형화 -> 저장 장치(하드 디스크)의 대형화 -> 빠른 저장 장치 요구 -> SSD의 등장
• 성능과 비용의 절충
  - 빠른 메모리일수록 고가이므로 작은 용량 사용
  

2) 계층화 성공 이유

• 참조의 지역성 때문
  - 코드나 데이터, 자원 등이 아주 짧은 시간 내에 다시 사용되는 프로그램의 특성
  - CPU는 작은 캐시 메모리에 로딩된 코드와 데이터로 한동안 실행
  - 캐시를 채우는 시간의 손해보다 빠른 캐시를 이용하는 이득이 큼
  

3) 계층화의 미래

• 현재, 메모리와 하드디스크 사이에 또 다른 형태의 메모리가 구현되고 있음
  

메모리 관리

1) 메모리의 역할

• 메모리는 실행하고자 하는 프로그램의 코드와 데이터 적재
• CPU는 메모리에 적재된 코드와 데이터만 처리

2) 운영체제에 의해 메모리 관리가 필요한 이유

• 메모리는 공유 자원
  - 여러 프로세스 사이에 메모리 공유
  - 각 프로세스에게 물리 메모리 할당
• 메모리 보호
  - 프로세스의 독립된 메모리 공간 보장
  - 사용자 코드로부터 커널 공간 보호
• 메모리 용량 한계 극복
  - 설치된 물리 메모리보다 큰 프로세스 지원 필요
  - 여러 프로세스의 메모리 합이 설치된 물리 메모리보다 큰 경우 필요
• 메모리 효율성 증대
  - 가능하면 많은 개수의 프로세스를 실행시키기 위해
  • 프로세스 당 최소한의 메모리 할당

메모리 주소

물리 주소와 논리 주소

1) 메모리는 오직 주소로만 접근
2) 주소의 종류

• 물리 주소
  - 물리 메모리(RAM)에 매겨진 주소. 하드웨어에 의해 고정된 메모리 주소
  - 0에서 시작하여 연속되는 주소 체계
  - 메모리는 시스템 주소 버스를 통해 물리 주소의 신호 받음
• 논리/가상 주소
  - 개발자나 프로세스가, 프로세스 내에서 사용하는 주소, 코드나 변수 등에 대한 주소
  - 0에서 시작하여 연속되는 주소 체계
  - CPU가 프로세스를 실행하는 동안 다루는 모든 주소는 논리 주소
  - 프로세스 내에서 매겨진 상대주소 (프로그램에서 변수 n의 주소가 100번지라면, 논리 주소가 100이고, 물리 주소를 알 수 없음)
  - 컴파일러와 링커에 의해 매겨진 주소 (실행 파일 내에 만들어진 이진 프로그램의 주소들은 논리 주소로 되어 있음)
  - 사용자나 프로세스는 결코 물리 주소를 알 수 없음
  3) MMU (Memory Management Unit)
• 논리 주소를 물리 주소로 바꾸는 하드웨어 장치
  - CPU가 발생시킨 논리 주소는 MMU에 의해 물리 주소로 바뀌어 메모리에 도달
• 오늘날 MMU는 CPU 안에 내장
  - 인텔이나 AMD의 x86 CPU는 80286부터 MMU를 내장
  - MMU 덕분에 여러 프로세스가 하나의 메모리에서 실행되도록 됨

C 프로그램에서의 주소는 논리 주소인가 물리 주소인가?

[참고]

• ASLR (Address Space Layout Randomization)
  - 해커들의 메모리 공격에 대한 대비책
  - 주소 공간의 랜덤 배치
  - 프로세스의 주소 공간 내에서 스택이나 힙, 라이브러리 영역의 랜덤 배치
  - 실행할 때마다 이들의 논리 주소가 바뀌게 하는 기법 -> 실행할 때마다 함수의 지역 변수와 동적 할당 받는 메모리의 논리 주소가 바뀜
  - 하지만, 코드나 전역 변수가 적재되는 데이터 영역의 논리 주소는 바뀌지 않음
  

물리 메모리 관리

메모리 할당

• 운영체제가 새 프로세스를 실행 시키거나 실행 중인 프로세스가 메모리를 필요로 할 때, 물리 메모리 할당
• 프로세스의 실행은 할당된 물리 메모리에서 이루어짐
  - 프로세스의 코드, 변수, 스택, 동적 할당 공간 액세스 등
  

메모리 할당 기법

1) 연속 메모리 할당

• 프로세스별로 연속된 한 덩어리의 메모리 할당
• 고정 크기 할당
  - 메모리를 고정 크기의 파티션으로 나누고 프로세스 당 하나의 파티션 할당
• 가변 크기 할당
  - 메모리를 가변 크기의 파티션으로 나누고 프로세스 당 하나의 파티션 할당
  

2) 분할 메모리 할당

• 프로세스에게 여러 덩어리로 나누어 메모리 할당
• 고정 크기 할당
  - 고정 크기의 동일한 덩어리 메모리의 분산 할당. 대표 방법 - Segmentation 기법
• 가변 크기 할당
  - 가변 크기의 덩어리 메모리를 분산 할당. 대표 방법 - 페이징 기법
  

※ 왼쪽 오른쪽 그림 위치가 바뀜

연속 메모리 할당

연속 메모리 할당

1) 각 프로세스 영역(코드와 데이터)을 연속된 메모리 공간에 배치

• 메모리를 한 개 이상의 파티션으로 분할하고 파티션을 할당하는 기법
• 한 프로세스는 한 파티션으로 할당

2) 연속 메모리 할당은 초기 운영체제에서 사용

• MS-DOS 와 같은 과거 운영체제
  - MS-DOS는 단일 사용자 단일 프로세스 시스템, 한 프로세스가 전체 메모리 독점
• 고정 크기 할당
  - IBM OS/360 MFT
  - 메모리 전체를 고정 크기의 n개로 분할. 프로세스마다 하나씩 할당. 수용가능 프로세스의 수 n 고정
  - 메모리가 없을 때, 프로세스는 큐에서 대기
  
• 가변 크기 할당
  - IBM OS/360 MVT
  - 프로세스마다 가변 크기로 연속된 메모리 할당. 수용가능 프로세스 수 가변
  - 메모리가 부족할 때, 프로세스는 큐에서 대기
• 가상 메모리 지원 X

단편화

1) 단편화

• 프로세스에게 할당할 수 없는 조각 메모리들이 생기는 현상, 조각 메모리를 홀(hole)이라고 부름

2) 내부 단편화

• 할당된 메모리 내부에 사용할 수 없는 홀이 생기는 현상
  - 파티션보다 작은 프로세스를 할당하는 경우 발생
  - IBM OS/360 MFT 사례
  

3) 외부 단편화

• 할당된 메모리들 사이에 사용할 수 없는 홀이 생기는 현상
  - 가변 크기의 파티션이 생기고 반환되면서 여러 개의 작은 홀 생성
  - 홀이 프로세스의 크기보다 작으면 할당할 수 없음
  - IBM OS/360 MVT 사례
  
  

연속 메모리 할당 구현

1) 하드웨어 지원

• CPU 레지스터 필요
  - base 레지스터 : 현재 CPU가 실행 중인 프로세스에게 할당된 물리 메모리의 시작 주소
  - limit 레지스터 : 현재 CPU가 실행 중인 프로세스에게 할당된 메모리 크기
  - 주소 레지스터 : 현재 액세스하는 메모리의 논리 주소
• 주소 변환 하드웨어(MMU) 필요 - 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 장치

2) 운영체제 지원

• 모든 프로세스에 대해 프로세스별로 할당된 '물리메모리 시작 주소와 크기 정보 저장' 관리
• 비어있는 메모리 영역 관리
• 새 프로세스를 스케줄링하여 실행시킬 때마다, '물리 메모리의 시작 주소와 크기 정보'를 CPU 내부의 base 레지스터와 limit 레지스터에 적재

3) 연속 메모리 할당의 장단점

• 장점
  1) 논리 주소를 물리 주소로 바꾸는 과정이 단순. CPU의 메모리 액세스 속도 빠름
  2) 운영체제가 관리할 정보량이 적어서 부담이 덜함
• 단점
  1) 메모리 할당의 유연성이 떨어짐. 작은 홀들을 합쳐 충분한 크기의 메모리가 있음에도, 연속된 메모리를 할당할 수 없는 경우 발생 (-> 메모리 압축 기법으로 해결)

홀 선택 알고리즘 / 동적 메모리 할당

• 운영체제는 할당 리스트 유지
  - 할당된 파티션에 관한 정보를 리스트로 유지 관리
  - 할당된 위치, 크기, 비어 있는지 유무
  
• 할당 요청이 발생하였을 때 운영체제의 홀 선택 전략 3가지
  1) first-fit(최초 적합)
• 비어있는 파티션 중 맨 앞에 요청 크기보다 큰 파티션 선택
• 할당 속도 빠름/단편화 발생 가능성

2) best-fit(최적 적합)

• 비어 있는 파티션 중 요청을 수용하는 가장 작은 파티션 선택
• 크기 별로 파티션이 정렬되어 있지 않으면 전부 검색
• 가장 작은 홀 생성됨

3) worst-fit(최악 적합)

• 비어 있는 파티션 중 요청을 수용하는 가장 큰 파티션 선택
• 크기 별로 파티션이 정렬되어 있지 않으면 전부 검색
• 가장 큰 홀 생성됨

세그먼테이션 메모리 관리

세그먼테이션 개요

1) 세그먼트

• 세그먼트는 논리적 단위 - 개발자의 관점에서 보는 프로그램의 논리적 구성 단위
• 세그먼트마다 크기 다름

2) 프로그램을 구성하는 일반적인 세그먼트 종류

• 코드 세그먼트
• 데이터 세그먼트
• 스택 세그먼트
• 힙 세그먼트

3) 세그먼테이션 기법

• 프로세스를 논리 세그먼트 크기로 나누고, 각 논리 세그먼트를 한 덩어리의 물리 메모리에 할당하고 관리하는 메모리 관리 기법]
• 프로세스의 주소 공간
  - 프로세스의 주소 공간을 여러 개의 논리 세그먼트들로 나누고
  - 각 논리 세그먼트를 물리 세그먼트에 매핑
  - 프로세스를 논리 세그먼트로 나누는 과정은 컴파일러, 링커, 로더, 운영체제에 의해 이루어짐
  

4) 논리 세그먼트와 물리 세그먼트의 매핑
- 시스템 전체 세그먼트 매핑 테이블을 두고 논리 주소를 물리 주소로 변환
5) 외부 단편화 발생

세그먼테이션의 구현

1) 하드웨어 지원

• 논리 주소 구성 : [세그먼트 번호, 옵셋]
  - 옵셋 : 세그먼트 내 상대 주소
• CPU
  - 세그먼트 테이블의 시작 주소를 가리키는 레지스터 필요
• MMU 장치
  - 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 장치
  - 논리 주소가 세그먼트 범위를 넘는지 판별(메모리 보호)
  - 논리 주소의 물리 주소 변환(메모리 할당)
• 세그먼트 테이블
  - 메모리에 저장
  - 세그먼트별로 시작 물리 주소와 세그먼트 크기 정보

2) 운영체제 지원

• 세그먼트의 동적 할당/반환 및 세그먼트 테이블 관리 기능 구현
  - 프로세스의 생성/소멸에 따라 동적으로 세그먼트 할당/반환
  - 물리 메모리에 할당된 세그먼트 테이블과 자유 공간에 대한 자료 유지
  - 컨텍스트 스위칭 때 CPU의 레지스터에 적절한 값 로딩
  3) 컴파일러, 링커, 로더 지원
• 사용자 프로그램을 세그먼트 기반으로 컴파일, 링킹, 로딩

단편화

• 외부 단편화 발생
  - 세그먼트들의 크기가 같지 않기 때문에 세그먼트와 세그먼트 사이에 발생하는 작은 크기의 홀

• 내부 단편화 발생 없음