메모리 관리 전략 feat. 페이징, 세그멘테이션

메모리 관리 전략

1. 개요

• 메모리란?

프로그램을 실행하는 중요한 작업 공간. 다중 프로그래밍 환경에서는 한정된 메모리를 여러 프로세스가 함께 사용하므로, 효율적으로 관리하는 방법이 필요.

메모리 주요 정책

• 적재정책(fetch) : 디스크에서 메모리로 프로세스를 반입할 시기
  • 요구 적재 : 참조 요청에 따라 다음에 실행할 프로세스를 적재
  • 예상적재 : 미리 예측하여 메모리에 적재.
• 배치정책(placement) : 디스크에서 반입한 프로세스를 메모리 어느 위치에 저장할 것인지
  • first fit : 메모리 순차탐색하여 가장 먼저 발견한 곳
  • best fit : 메모리 공간 중에 가장 작은 크기 사용공간
  • worst fit : 가장 큰 사용 가능 공간
• 대치정잭(replacement) : 메모리가 충분하지 않을 때, 현재 메모리에 적재된 프로세스 중 제거할 프로세스 결정
  • FIFO
  • LRU

메모리 구조와 매핑

• 논리 주소 : object code.
• 물리 주소 : 적재하는 실제 주소. 메모리 칩이나 디스크 공간에서 만든다.

메모리 관리장치의 주소변환(논리 -> 물리)

바인딩의 분류

• 컴파일 시간
  • 논리 주소 생성
  • 프로세스가 메모리에 적재될 위치를 컴파일 시간에 알 수 있다면, 물리적 주소 생성 가능
• 적재 시간
  • 컴파일 시간에 알 수 없다면 컴파일러는 상대 주소 생성
  • 상대 주소는 시작 주소가 0으로, 최종 바인딩을 적재 시간까지 연기
• 실행 시간
  • 한 프로세스가 동일한 장소에서 작동한다면, 적재 시간 과정에서 바인딩 가능
  • 프로세스 실행 중 메모리 세그먼트에서 다른 세그먼트로 이동한다면 바인딩은 실행시간까지 연기

• 컴파일러 : 원시코드를 컴파일하여 목적 파일 생성
• 링커 : 목적 파일에 라이브러리나 다른 목적 파일 결합
• 로더 : 지정 위치에서 시작하여 메모리에 프로그램을 배치.

메모리 관리 용어

동적 적재

• 바인딩을 최대한 늦춰 실행 직전 주소를 확정하면, 메모리를 효율적으로 운영할 수 있는 것
• 사용하지 않을 루틴을 적재하지 않으므로, 효율적임

중첩

• 실행하려는 프로그램이 메모리 보다 클 때, 필요하지 않은 프로그램 일부는 중첩으로 해결
• 

스와핑(프로세스 교체)

메모리 적재 방법

• 메모리 할당
  • 연속 메모리 할당
    • 단일 프로그래밍
    • 다중 프로그래밍
      • 고정 분할
      • 가변 분할
  • 불연속 메모리 할당
    • 고정 분할 : 페이징
    • 가변 분할 : 세그먼테이션

2. 연속 메모리 할당

1. 단일 프로그래밍

2. 다중 프로그래밍

• 고정 분할
  • 
    • 여러개 고정된 크기로 분할
    • 각 메모리는 하나의 작업을 실행 할 수 있음
• 가변 분할
  • 
    • 최초 적합
    • 최적 적합
    • 최악 적합

3. 분산 메모리 할당 : 페이징

페이징이란?

작업을 크기가 동일한 페이지로 나눠 처리하는 방법. 즉 프로세스 크기가 동일한 페이지로 나누고, 메인 메모리도 프레임이라는 고정 크기 블록으로 나눠, 이 프레임에 페이지를 적재하는 방법.

• 프로세스에 필요한 페이지 결정 -> 페이지 번호 부여
• 메모리의 빈 프레임을 조사 -> 프로세스를 적재할 위치 파악
• 프로세스의 페이지를 빈 프레임에 적재하도록 준비

페이징 시스템의 하드웨어 구조, 원리

페이징

• 1단계 페이징

• 2단계 페이징

페이지 테이블 구현

페이지 테이블은 크기가 커서 관리가 매우 중요하다. 가장 간단한 방법은 전용 레지스터를 사용하는 것이다.

공유 페이지

• 페이징의 장점은 시분할 환경에서 중요한 공통 코드를 공유할 수 있다.

4. 분산 메모리 할당 : 세그멘테이션

• 페이징을 사용할 때에는 논리적으로 독립된 내용들이 구분되지 못하고, 하나의 페이지로 묶여 동작하는 문제점이 있을 해결하기 위해 세그멘테이션 기법을 사용
• 논리적으로 독립된 의미의 세그먼트 단위로 동작하는 메모리 관리 기법
• 디스크립터 테이블
  • 운영체제가 세그먼트의 저장영역, 크기, 정보들을 관리하는 테이블
• 세그먼트 디스크립터
  • 한 세그먼트에 해당 되는 정보
• 가상주소 -> 실제 주소 구하기
  • 가상주소는 세그먼트 번호와 변위로 구성
  • 페이지와 동일하게 디스크립터 테이블에서 해당 세그먼트의 위치를 찾고, 그 위치에서 변위를 더하여 실제 주소를 찾아냄
• 단편화
  • 큰 크기의 빈 메모리 공간은 줄고, 작은 크기의 빈 메모리 공간이 늘어남으로써 세그먼트가 들어갈 수 있는 공간이 없어지는 경우를 뜻함.
  • 해결 방법
    • 세그먼트 재배치하여 큰 크기의 빈 공간을 만드는 방법
    • 세그멘테이션과 페이징 기법을 혼용하여 사용
• 페이징의 단편화가 발생하지 않는 장점과 세그멘테이션의 독립된 단위로 동작하는 장점을 모두 수용한 방식
• 사용 방법
  • 가상주소 -(세그멘테이션)-> 선형 주소 -(페이징)-> 물리주소