운영체제 - Memory Management (메모리 관리)

메모리 (주기억장치) 관리 (1/3) - Backgrounds

★ 메모리(기억장치)의 종류

 

★ 메모리(기억장치) 계층구조

 

• Block
  • 보조기억장치와 주기억장치 사이의 데이터 전송 단위
  • Size : 1 ~ 4KB
• Word
  • 주기억장치와 레지스터 사이의 데이터 전송 단위
  • Size : 16 ~ 64 bits

★ Address Binding

• 프로그램의 논리 주소를 실제 메모리의 물리주소로 매핑(mapping)하는 작업
• Binding 시점에 따른 구분
  • Compile time binding
  • Load time binding
  • Run time binding

 

• User Program Processing Steps

• Complie time binding
  • 프로세스가 메모리에 적재될 위치를 컴파일러가 알 수 있는 경우
    • 위치가 변하지 않음
  • 프로그램 전체가 메모리에 올라가야 함

• Load time binding
  • 메모리 적재 위치를 컴파일 시점에서 모르면, 대체 가능한 상대 주소를 생성
  • 적재 시점(load time)에 시작 주소를 반영하여 사용자 코드 상의 주소를 재설정
  • 프로그램 전체가 메모리에 올라가야 함

 

• Run-time binding
  • Address binding을 수행시간까지 연기
    • 프로세스가 수행 도중 다른 메모리 위치로 이동할 수 있음
  • HW의 도움이 필요
    • MMU : Memory Management Unit
  • 대부분의 OS가 사용

★ Dynamic Loading

• 모든 루틴을 교체 가능한 형태로 디스크에 저장
• 실제 호출 전까지는 루틴을 적재하지 않음
  • 메인 프로그램만 메모리에 적재하여 수행
  • 루틴의 호출 시점에 address binding 수행
• 장점
  • 메모리 공간의 효율적 사용

★ Swapping

• 프로세서 할당이 끝나고 수행 완료된 프로세스는 swap-device로 보내고 (Swap-out)
• 새롭게 시작하는 프로세스는 메모리에 적재 (Swap-in)

메모리 (주기억장치) 관리 (2/3) - Fixed Partition Multiprogramming

★ Memory Allocation

• Continuous Memory Allocation (연속할당)
  • Uni-programming
  • Multi-programming
    • Fixed partition (FPM)
    • Variable partition (VPM)

• Non-continuous Memory Allocation (비연속할당)
  • Next chapter

★ Continuous Memory Allocation

• 프로세스(context)를 하나의 연속된 메모리 공간에 할당하는 정책
  • 프로그램, 데이터, 스택 등
• 메모리 구성 정책
  • 메모리에 동시에 올라갈 수 있는 프로세스 수
    • Multiprogramming degree
  • 각 프로세스에게 할당되는 메모리 공간 크기
  • 메모리 분할 방법

• Uni-programming
  • Multiprogramming degree = 1
• Multi-programming
  • Fixed(static) partition multi-programming (FPM)
    • 고정 분할
  • Variable(dynamic) partition multi-programming (VPM)
    • 가변 분할

★ Uni-Programming

• 하나의 프로세스만 메모리 상에 존재
• 가장 간단한 메모리 관리 기법

 

• 문제점
  • 프로그램의 크기 > 메모리 크기
• 해결법
  • Overlay structure
    • 메모리에 현재 필요한 영역만 적재
    • 사용자가 프로그램의 흐름 및 자료구조를 모두 알고 있어야 함
• 문제점
  • 커널(Kernel) 보호
• 해결방법
  • 경계 레지스터 (boundary register) 사용

• 문제점
  • Low system resource utilization
  • Low system performance
• 해결법
  • Multi-programming

★ Fixed Partition Multiprogramming

• 메모리 공간을 고정된 크기로 분할
  • 미리 분할되어 있음
• 각 프로세스는 하나의 partition(분할)에 적재
  • Process : Partition = 1 : 1
• Partition의 수 = K
  • Multiprogramming degree = K

• 자료구조의 예

• 커널 및 사용자 영역 보호

★ Fragmentation (단편화)

• Internal fragmentation
  • 내부 단편화
  • Partition 크기 > Process 크기
    • 메모리가 낭비 됨
• External fragmentation
  • 외부 단편화
  • (남은 메모리 크기 > Process 크기)지만, 연속된 공간이 아님
    • 메모리가 낭비 됨

• 요약
  • 고정된 크기로 메모리 미리 분할
  • 메모리 관리가 간편함
    • Low overhead
  • 시스템 자원이 낭비 될 수 있음
  • Internal/external fragmentation

메모리 (주기억장치) 관리 (3/3) - Variable Partition Multi-programming

★ Variable Partiton Multiprogramming

• 초기에는 전체가 하나의 영역
• 프로세스를 처리하는 과정에서 메모리 공간이 동적으로 분할
• No internal fragmentation

 

• VPM Example
  • Memory space : 120 MB

• 어디에 배치 할 것인가?

 

★ 배치 전략 (Placement strategies)

• First-fit (최초 적합)
  • 충분한 크기를 가진 첫 번째 partition을 선택
  • Simple and low overhead
  • 공간 활용률이 떨어질 수 있음

 

• Best-fit (최적 적합)
  • Process가 들어갈 수 있는 partition 중 가장 작은 곳 선택
  • 탐색시간이 오래 걸림 → overhead가 큼
    • 모든 partition을 살펴봐야 함
  • 크기가 큰 partition을 유지할 수 있음
  • 작은 크기의 partition이 많이 발생
    • 활용하기 너무 작은

 

• Worst-fit (최악 적합)
  • Process가 들어갈 수 있는 partition 중 가장 큰 곳 선택
  • 탐색시간이 오래 걸림
    • 모든 partition을 살펴봐야 함
  • 작은 크기의 partition 발생을 줄일 수 있음
  • 큰 크기의 partition 확보가 어려움
    • 큰 프로세스에게 필요한

 

• Next-fit (순차 최초 적합)
  • 최초 적합 전략과 유사
  • State table에서 마지막으로 탐색한 위치부터 탐색
  • 메모리 영역의 사용 빈도 균등화
  • Low overhead
• 어디에 배치할 것인가?

• External fragmentation issue

★ Coalescing holes (공간 통합)

• 인접한 빈 영역을 하나의 partition으로 통합
  • Process가 memory를 release하고 나가면 수행
  • Low overhead

 

★ Storage Compaction (메모리 압축)

• 모든 빈 공간을 하나로 통합
• 프로세스 처리에 필요한 적재 공간 확보가 필요할 때 수행
• High overhead
  • 모든 Process 재배치 (Process 중지)
  • 많은 시스템 자원을 소비

 

★ 요약 : Continuous Memory Allocation

• Uni-programming
  • Simple
  • Fragmentation problem
• Fixed partition multi-programming (FPM)
• Variable partition multi-programming (VPM)
  • Placement strategies
    • First-fit, Best-fit, Worst-fit, Next-fit
  • External fragmentation issue
    • Coalescing holes
    • Storage compaction