[운영체제] 메모리

2.1 메모리 계층 
    2.1.1 메모리 계층 구조 
    2.1.2 캐시
2.2 메모리 관리
    2.2.1 가상 메모리 
    2.2.2 메모리 할당
    2.2.3 페이지 교체 알고리즘

 2.1 메모리 계층
    2.1.1 메모리 계층 구조
    2.1.2 캐시

 

2.1 메모리 계층

메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리(주기억장치), 저장장치(보조기억장치/SSD, HDD)로 구성되어 있다.

 

- 레지스터 : CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도가 가장 빠름

- 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭, 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량 작음

- 주기억장치 : RAM. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량 보통

- 보조기억장치 : HDD, SSD 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 많음

 

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달한다. 

 

2.1.2 캐시

캐시 : 장치 간 속도 차이에 따른 병목 현상을 해결하기 위한 메모리

캐싱 계층 : 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층. EX) CPU - 메모리 사이 레지스터

1) 시간 단축

2) 재사용

 

캐시 계층을 두는 것 말고, 캐시를 직접 설정할 때는 어떻게 해야할까? 

=> 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야한다. 지역성을 고려해야 한다. 

 

지역성에는 1) 공간 지역성 2) 시간 지역성이 있다.

 

1) 공간 지역성 : 최근 접근한 데이터나 그 주변 공간에 접근

2) 시간 지역성 : 최근 접근한 데이터에 다시 접근 

 

캐시히트와 캐시미스

1) 캐시히트 : 캐시에서 원하는 데이터를 찾은 경우

2) 캐시미스 : 캐시에서 원하는 데이터를 찾지 못해 메모리로 가서 데이터를 찾는 경우

캐시매핑 

 

캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법으로 작은 용량의 장치와 큰 용량의 장치 사이에서 어떻게 매핑하냐는 굉장히 중요하다.

 

직접 매핑 (directed mapping)	메모리가 1~100, 캐시가 1~10이 있다면 1: 1~10, 2:1~20... 이런 식으로 매핑하는 것. 처리가 빠르나 충돌 발생이 잦다.
연관 매핑 (associative mapping)	순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해 속도가 느리다.
집합 연관 매핑 (set associative mapping)	직접 매핑과 연관 매핑을 합친 것.  순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적이다.  예를 들어, 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 캐시는 1~5에 1~50읟 ㅔ이터를 무작위로 저장시키는 것.

 

웹 프라우저의 캐시

웹 브라우저의 캐시는 보통 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 브라우저에 저장해 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰인다. 

1) 쿠키 : 만료 기한이 있는 키-값 저장소다. 4KB라는 작은 저장 공간을 가지며 서버에서 만료 기간을 정한다.

               쿠키를 설정할 때는 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요하다.

2) 로컬 스토리지 : 만료기한이 없는 키-값 저장소. 10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 

                              단위로 저장, 생성한다. HTML5를 지원하는 웹 브라우저에서만 사용 가능

3) 세션 스토리지 : 만료 기한이 없는 키-값 저장소. 탭 단위로 세션 스토리지를 생성한다. 똑같이 HTML5를 지원해야한다.

 

++ 사용처

쿠키 :  일시적으로 필요한 작은 용량을 가진 데이터 > 팝업창 다시 보지 않음, 로그인 자동 완성

로컬 스토리지 : 지속적으로 필요한 데이터 > 자동 로그인

세션 스토리지 : 일시적으로 필요한 데이터 > 비회원 장바구니, 입력 폼 저장 등

 

데이터 베이스에서의 캐싱 계층

데이트 베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스 데이터 베이스 게층을 '캐싱 계층'으로 둬서 성능 향상

 

 

2.2 메모리 관리
    2.2.1 가상 메모리 
    2.2.2 메모리 할당
    2.2.3 페이지 교체 알고리즘

2.2.1 가상 메모리(virtual memory)

메모리 관리 기법 중 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 매우 큰 메모리로 보이게 만든다. 

++ 내가 이해한 거에 따르면, RAM 용량에 DISK용량까지 포함시킴

 

가상 주소 : 가상적으로 주어진 주소

실제 주소 : 실제 메모리 상에 있는 주소

가상 주소는 메모리 관리 장치(mmu)에 의해 실제 주소로 변환된다. 

 

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 페이지 테이블로 관리된다. 속도 향상을 위해 TLB를 사용한다.

 

TLB? 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환 캐시. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다.

 

스와핑

가상 메모리에는 존재하지만 현재 RAM에 없는 데이터일 경우 페이지 폴트가 발생한다. 이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라 한다.

 

페이지 폴트(page fault)

프로세스 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생한다. 

1. CPU는 물리 메모리를 확인해 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해 운영체제에게 알린다.
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춘다. 인터럽트!
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인해 가상 메모리가 페이지에 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하        고 현재 물리 메모리에 비어있는 프레임이 있는지 찾는다.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화한다.
5. 중단되었던 CPU 다시 시작.

페이지 : 가상 메모리를 사용하는 최소 단위

프레임 : 실제 메모리를 사용하는 최소 단위

 

++

프로세스 ?

메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미한다

 

스레싱

메모리 페이지 디폴트 율이 높은 것을 의미한다. 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.

1) 메모리에 너무 많은 프로세스를 할당하면 다량의 스와핑이 발생한다.
2) 페이지 폴트가 일어나면 CPU를 멈추기 때문에 CPU 이용률이 낮아진다.
3) 운영체제는 CPU에 일이 없다고 생각해 가용성을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 할당한다.
4) 악순환....

=> 해결방안으론 RAM을 늘리거나 HDD를 사용한다면 SSD로 바꾸는 방법이 있다.

=> 운영체제에서는 작업 세트와 PFF를 사용해서 해결할 수 있다.

 

작업 세트 : 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어 미리 메모리에 로드하는 것. 탐색에 드는 비용과 스와핑 절감 가능

PFF(page fault frequency) : 페이지 폴트 빈도를 조절, 상한선과 하한선을 만듦. 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 

                                             하한선에 도달 시 프레임을 줄인다.

 

2.2.2 메모리 할당

시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당한다.

1) 연속 할당

메모리에 '연속적으로' 공간을 할당. process가 순서대로 할당된다.

1-1) 고정 분할 방식

메모리를 미리 나누어 관리하는 방식으로 메모리가 미리 나누어져 융통성이 없다. 내부 단편화가 발생한다

* 내부 단편화 ? 메모리가 나눠진 크기보다 프로그램이 작아 들어가지 못하는 공간이 많이 발생

 

1-2) 가변 분할 방식

매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용. 내부 단편환는 발생하지 않으나 외부 단편화는 발생할 수 있다. 최초 적합, 최적 적합, 최악 적합이 있다.

* 외부 단편화? 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상.

최초적합	위쪽이나 아래쪽부터 시작해 홀을 찾으면 바로 할당
최적적합	프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀
최악적합	프로세스 크기와 가장 차이가 많이 나는 홀

* 홀? 할당할 수 있는 비어있는 메모리 공간

 

2) 불연속 할당

현대 운영체제에서 사용되는 페이징 기법이 존재한다.

 

2-1) 페이징

동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스 할당. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡하다. 

 

2-2) 세그멘테이션

페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식. 프로세스를 이루는 메모리는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 이루어지는데, 코드와 데이터로 나누거나 코드 내 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나눌 수 있따. 이는 공유와 보안 측면에서 장점을 가지지만 홀 크기가 균일하지 않다.

 

2-3) 페이지드 세그멘테이션

프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유나 보안 측면에 강점을 두고 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 것

 

2.2.3 페이지 교체 알고리즘

스와핑은 많이 일어나지 않도록 설게되어야 하며 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 발생한다.

FIFO : 가장 먼저 온 페이지 교체

LRU(Least Recentle Used) :  가장 참조가 오래된 페이지 바꿈. '오래된' 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점

해시 테이블과 이중 연결 리스트로 구현한다. 

 

NUR : LRU의 발전 버전 알고리즘

일명 clock 알고리즘으로 0과 1을 가진 비트를 둔다. 1은 최근에 참조됨, 0은 참조되지 않음을 의미한다. 

시계 방향으로 돌면서 0을 찾아 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고 해당 부분을 1로 바꾼다.

LFU : 가장 참조횟수가 적은 페이지.

 

https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html

[OS] 프로세스와 스레드의 차이 - Heee's Development Blog

https://velog.io/@hs0217/%EC%BF%A0%ED%82%A4-%EB%A1%9C%EC%BB%AC-%EC%8A%A4%ED%86%A0%EB%A6%AC%EC%A7%80-%EC%84%B8%EC%85%98-%EC%8A%A4%ED%86%A0%EB%A6%AC%EC%A7%80

쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지

https://preamtree.tistory.com/21

[IT 기술면접 준비자료] 가상메모리의 동작과 페이지폴트(Page Fault)

https://core.ewha.ac.kr/publicview/C0101020140509142939477563?vmode=f

반효경 [운영체제] 21. Memory Management 4

2-2강, 8강, 9강에 해당하는 내용입니다.