메모리(Memory)
CPU는 그저 '메모리'에 올라와 있는 프로그램의
명령어들을 실행할 뿐이다.
이때 메모리 계층과 메모리를 알아야 한다.
메모리 계층
- 레지스터
CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도가 가장 빠름, 기억 용량이 가장 작다. - 캐시
L1, L2 캐시를 지칭한다. 휘발성 빠름, 속도 빠름 기억 용량이 적다. 참고로 L3 캐시도 있다. - 주기억장치
RAM을 가리킨다. 휘발성 보통, 속도 보통, 기억 용량은 보통이다. - 보조기억장치
HDD, SSD를 일컬으며 휘발성 낮음, 속도 낮음, 기억 용량이 많다.
캐시(Cache)
캐시는 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자
빠른 장치와 느린 장치에서
속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.
병목현상
전체 시스템의 성능이나 용량이 하나의 구성 요소로 인해 제한을 받는 현상을 말한다.
이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는
경우를 해결하고
무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.
실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에
레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결한다.
이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는
계층을 캐싱 계층이라고 한다.
예를 들어 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있다.
지역성의 원리
그렇다면 캐시 계층을 두는 것 말고, 캐시를 직접
설정할 때는 어떻게 하는가?
이는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 한다.
그렇다면 자주 사용하는 데이터에 대한 근거가 되는
것은 바로 지역성이다.
지역성은 시간 지역성과 공간 지역성으로 나뉜다.
시간 지역성(Temporal Locality)
시간 지역성은 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는
특성을 말한다.
예를 들어 for 반복문으로 이루어진 코드 안의 변수 i에 계속 접근이 이루어진다. 여기서 데이터는 변수 i이고 최근에 사용했기 때문에 계속 접근해서 증감이 이루어진다.
공간 지역성(Spatioal Locality)
공간 지역성은 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나
그 가까운 공간에 접근하는 특성을 말한다.
예를 들어 배열 arr의 각 요소들은 선형적으로, 연속적으로 접근하기에 공간 지역성이 높다.
캐시 히트와 캐시 미스(Cache Hit and Cache Miss)
캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시 히트라고 하며,
해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서
데이터를 찾아오는 것을 캐시 미스라고 한다.
위의 그림처럼 캐시 히트를 하게 되면, 해당 데이터를
제어장치를 거쳐 가져오게 된다.
캐시 히트의 경우 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를
기반으로 작동하기 때문에 빠르다.
버스(Bus)
컴퓨터 안의 부품들 간에, 또는 컴퓨터 간에 데이터와 정보를 전송하는 통로(통신 시스템)이다.
반면에 캐시 미스가 발생되면 메모리에서
가져오게 되는데,
이는 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느리다.
캐시 매핑
캐시 매핑이란 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며,
CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을
때를 기반으로 설명한다.
레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고, 주 메모리는
굉장히 크기 때문에
작은 레지스터가 캐시 계층으로서 역할을 잘해주려면
이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요하다.
메모리 관리
운영체제의 대표적인 할 일 중 하나가 메모리 관리이다.
컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야 한다.
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 말한다.
이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(Logical Address)라고 하며,
실제 메모리 상에 있는 주소를 실제 주소(Physical Address)라고 한다.
가상 주소는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며,
이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이
프로그램을 구축할 수 있게 된다.
가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고
프로세스의 주소 정보가 들어가 있는 '페이지 테이블'로
관리된다.
이때 속도 향상을 위해 TLB를 사용한다.
TLB(Translation Lookaside Buffer)
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다. ㅔ이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다.
페이지
가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
프레임
실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
페이지 폴트(Page Fault)
페이지 폴트란 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만
지금 이 컴퓨터의 RAM에 없는 데이터에
접근했을 경우 발생한다.
이때 운영체제는 아래의 과정으로 해당 데이터를
메모리로 가져와서
마치 페이지 폴트가 전혀 발생하지 않은 것처럼
프로그램이 작동하게 해 준다.
스와핑(Swapping)
만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인
RAM 에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우
페이지 폴트가 발생한다.
이를 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 영역을
하드디스크로 옮겨
필요할 때 다시 RAM으로 불러와 올리고,
사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여
RAM을 효과적으로 관리하는 것을 스와핑이라 한다.
페이지 폴트와 그로 인한 스와핑은 다음 과정으로
이루어진다.
트랩(Trap, Software Interrupt)
프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
즉, 어떤 프로세스가 특정 시스템 기능을 사용하려고 할 때, 그 기능을 운영체제에게 요청하는 방법을 말한다.
- CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩(Trap)을 발생해서 운영체제에 알린다.
- 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춘다.
- 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾는다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동된다.
- 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화한다.
- 중단되었던 CPU를 다시 시작한다.
스레싱(Thrashing)
스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을
의미하며,
이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.
스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에
올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생한다.
페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다.
CPU 이용룰이 낮아지게 되면 운영체제는
"CPU가 한가한가?"
라고 생각하여 가용성을 더 높이기 위해 더 많은
프로세스를 메모리에 올리게 된다.
이와 같은 악순환이 반복되며 스레싱이 일어나게 된다.
이를 해결하기 위한 방법으로는 메모리를 늘리거나,
HDD를 사용한다면 SSD로 바꾸는 방법이 있다.
이외에 운영체제에서 이를 해결할 수 있는 방법은
작업 세트와 PFF가 있다.
작업 세트(Working Set)
작업 세트는 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(Locality)을
통해 결정된 페이지 집합을 만들어서
미리 메모리에 로드하는 것을 말한다.
미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을
줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있다.
PFF(Page Fault Frequency)
PFF는 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로,
상한선과 하한선을 만드는 방법이다.
만약 상한선에 도달한다면 페이지를 늘리고
하한선에 도달하면 페이지를 줄이는 것이다.
메모리 할당
메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치,
메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데,
연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.
연속 할당
연속 할당은 메모리에 '연속적으로' 공간을 할당하는
것을 말한다.
위의 그림처럼 프로세스 A, B, C가 순차적으로
공간에 할당되는 것을 볼 수 있다.
이는 메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과
매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여
사용하는 가변 분할 방식이 있다.
내부 단편화(Internal Fragmentation)
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상.
예를 들어 100MB를 확보하고 프로그램의 크기가 70MB일 때 30MB는 사용되지 않는 것, 이러한 현상이 잦은 것을 의미한다.
외부 단편화(External Fragmentation)
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상.
예를 들어 100MB를 55MB, 45MB로 나눴지만 프로그램의 크기는 70MB일 때 들어가지 못하는 것을 의미한다.
홀(Hole)
할당할 수 있는 비어있는 메모리 공간이다.
고정 분할 방식(Fixed Partition Allocation)
고정 분할 방식은 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며,
메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없다.
또한, 내부 단편화가 발생한다.
가변 분할 방식(Variable Partition Allocation)
가변 분할 방식은 매 시점 프로그램의 크기에 맞게
동적으로 메모리를 나눠 사용한다.
내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화는 발생할 수 있다.
이는 최초 적합(First Fit), 최적 적합(Best Fit), 최악 접합(Worst Fit)이 있다.
불연속 할당
메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은
현대 운영체제가 쓰는 방법으로,
불연속 할당인 페이징 기법이 있다.
메모리를 동일한 크기의 페이지(보통 4KB)로 나누고
프로그램마다 페이지 테이블을 두어
이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것이다.
페이징 기법 말고도 세그멘테이션, 페이지드
세그멘테이션이 있다.
페이징(Paging)
페이징은 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어
메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다.
홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만
주소 변환이 복잡해진다.
세그멘테이션(Segmentation)
세그멘테이션은 페이지 단위가 아닌 의미 단위인
세그먼트(Segment)로 나누는 방식이다.
프로세스는 코드, 데이터 스택, 힙 등으로 이루어지는데,
코드와 데이터 등
이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도
있음을 의미한다.
공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은
문제가 발생한다.
페이지드 세그멘테이션(Paged Segmentation)
페이지드 세그멘테이션은 공유나 보안을 의미 단위인
세그먼트로 나누고,
물리적 메모리는 페이지로 나누는 것을 말한다.
페이지 교체 알고리즘
메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어난다.
스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며,
이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어난다.
오프라인 알고리즘(Offline Algorithm)
오프라인 알고리즘은 먼 미래에 참조되는 페이지와
현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며,
가장 좋은 방법이다.
그러나 미래에 사용되는 프로세스를 우리가
알 수는 없다.
즉, 사용할 수 없는 알고리즘이지만 다른 알고리즘과의
성능 비교에 대한 기준을 제공한다.
FIFO(First In First Out)
FIFO는 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저
놓는 방법을 의미한다.
LRU(Least Recentle Used)
LRU는 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다.
'오래된' 것을 파악하기 위해 페이지마다 계수기,
스택을 두어야 하는 문제점이 있다.
위 그림에서 보듯이 5번째 페이지가 들어왔을 때
가장 오래된 1번 페이지와 스왑하는 것을 볼 수 있는데
이것이 바로 LRU 방식이다.
LRU 구현을 프로그래밍으로 구현할 때는 보통
두 개의 자료구조로 구현한다.
바로 해시 테이블과 이중 연결 리스트이다.
해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게
찾을 수 있도록 쓰고,
이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타낸다.
NUR(Not Used Recently)
LRU에서 발전한 NUR 알고리즘이 있다.
일명 Clock 알고리즘이라고 하며 먼저 0과 1을 가진
비트를 둔다.
1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미한다.
시계 방향으로 돌면서 0을 찾고, 0을 찾은 순간
해당 프로세스를 교체하고,
해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘이다.
LFU(Least Frequently Used)
LFU는 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체한다.
즉, 많이 사용되지 않을 것을 교체하는 것이다.
<면접을 위한 CS 전공지식 노트>
