CS - Operating System - 메모리 관리

메모리 관리

 

운영체제의 대표적인 역할 중 하나가 메모리 관리 입니다. 

 

운영체제는 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용하도록 관리하는 역할을 맡습니다.

 

 

가상 메모리 (Virtual Memory)

 

가상 메모리는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말합니다.

 

이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address)라고 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소(physical address)라고 합니다. 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 됩니다.

 

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리됩니다. 이때 속도 향상을 위해 TLB를 씁니다. 

 

TLB : Translation Lookaside Buffer(변환 색인 버퍼)로 가상 메모리의 주소를 물리적인 주소로 변환하는 속도를 높이기 위한 캐시

 

스와핑 (swapping)

 

가상 메모리에는 존재하지만 RAM에 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생합니다.

 

이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라고 합니다.

 

이를 통해 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만듭니다.

 

스와핑 과정

 

1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생시켜 운영체제에 알립니다. 

2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춥니다.

3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾습니다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동됩니다.

4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화합니다.

5. 중단되었던 CPU를 다시 시작합니다.

 

 

페이지 폴트 (page fault)

 

프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생.

 

페이지 (page)

 

가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

프레임 (frame)

 

실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

 

스레싱

 

스레싱 (thrashing)은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 심각한 성능 저하를 초래합니다. 스레싱이 발생할 경우 CPU의 사용률은 급격히 감소합니다.

 

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스를 동시에 올릴 경우 스와핑이 많이 일어나서 발생합니다.

페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아집니다.

CPU 이용률이 낮으면 운영체제는 CPU 이용률을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 되고 더 많은 페이지 폴트를 유발시키는 악순환이 일어납니다.

 

해결책은 메모리 증설, HDD 대신 SSD 사용하는 방법이 있습니다. 이외에 운영체제에서 이를 해결할 방법은 작업 세트와 PFF가 있습니다.

 

작업 세트 (working set)

 

프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것입니다. 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있습니다.

 

PFF (Page Fault Frequency)

 

페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법입니다. 만약 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄입니다.