[ 면접을 위한 cs 전공지식 노트 정리 ] 3.운영체제 : 메모리

(출처 :  https://www.inflearn.com/course/%EA%B0%9C%EB%B0%9C%EC%9E%90-%EB%A9%B4%EC%A0%91-cs-%ED%8A%B9%EA%B0%95)

 

3.2 메모리

3.2.1 메모리 계층
3.2.2 메모리 관리

 

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3.1 메모리

CPU는 '메모리'에 올라와 있는 프로그램의 명령어들을 실행할 뿐이다.

 

3.2.1 메모리 계층

 

 

• 레지스터 : CPU안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠르며 기억 용량이 가장 적다.

• 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭하며 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적다. 
• 주기억장치 : RAM을 가리키며, 휘발성, 속도 보통, 기억 용량도 보통이다.

• 보조기억장치 : HDD, SSD를 일컬으며 비휘발성, 속도 낮음, 기억용량이 많다.

 

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다. 계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라지는 특징이 있다.

 

이러한 계층이 있는 이유는 경제성과 캐시때문으로 RAM과 SSD의 가격이 달라 계층을 두어 관리하기 때문이며, 예를들어 웹사이트 실행 중 '로딩 중'이라는 메시지가 나오는 건 하드디스크 또는 인터넷에서 데이터를 읽어 RAM으로 전송하는 과정이 아직 끝나지 않음을 의미한다.

 

• 캐시(cache)
  
  데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리이다.
  캐시를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.
  
  실제로 메모리와 CPU사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결하는데, 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 이쓴 계층을 캐싱 계층이라고 한다. 예를 들어 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있다.

• 지역성의 원리
  캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 하는데 그 근거가 되는 것이 바로 지역성이다. 지역성은 시간지역성과 공간지역성 두 가지로 나뉜다.
  
  * 시간지역성(temporal locality)
  최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 말한다.
  
  * 공간지역성(spatial locality)
  최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성을 말한다.
  
  

• 캐시히트와 캐시미스
  캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트, 해당 데이터가 캐시에 없으면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 한다.

• 캐시매핑
  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 계층으로써 역할을 해주려면 이 매핑을 어떻게 해주는지가 중요하다.

이름	설명
직접 매핑 (directed mapping)	메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 1:1~10, 2:1~20 과 같은 식으로 매핑하는 것을 말하며, 처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦다.
연관 매핑 (associative mapping)	순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느리다.
집합 연관 매핑 (set associative mapping)	직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것으로 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적이다. 예를 들어 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 캐시 1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것을 말한다.

 

• 웹 브라우저의 캐시
  
  * 쿠키
  만료기한이 있는 키-값 저장소로,
  same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송되며, 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있다.
  쿠키를 설정할 때는 document.coockie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly옵션을 거는 것이 중요하며, 클라이언트 또는 서버에서 만료기한을 정할 수 있는데 보통 서버에서 정한다.
  
  * 로컬 스토리지
  만료기한이 없는 키-값 저장소로,
  10MB까지 저장할 수 있으며 웹브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성된다. 
  HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며 클라이언트에서만 수정가능하다.
  
  * 세션 스토리지
  만료기한이 없는 키-값 저장소로,
  탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제되며 5MB까지 저장이 가능하다
  HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며 클라이언트에서만 수정가능하다.
  
  
• 데이터베이스의 캐싱 계층
  
  데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터 베이스 계층을 캐싱계층으로 두어 성능을 향상시키기도 한다. 

 

3.2.2 메모리 관리

 

운영체제의 역할 중 하나인 메모리 관리는 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용할 수 있게 한다.

 

• 가상메모리(virtual memory)
  메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말한다.
  
  가상적으로 주어진 주소를 가상주소(logical address)라고 하며 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소(physical address)라고 한다. 가상 주소는 메모리관리장치(MMU, Memory Management Unit)에 의해 실제 주소로 변환되며 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있다.
  
  가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리되는데 이 때 속도 향상을위해 *TLB를 쓴다.
  
  * TBL(Translation Lookaside Buffer, 변환색인버퍼)
  메모리와 CPU사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시로 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다.

• 스와핑(swapping)
  가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다. 
  이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라고하며, 이를 통해 마치 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만든다.
  
  
• 페이지폴트(page falut)
  프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생한다. 
  페이지폴트와 그로 인한 스와핑의 과정은 아래와 같다.
  ➊ CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지(page, 가상 메모리를 상요하는 최소 크기 단위)가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제 알린다.
  ➋ 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춘다.
  ➌ 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임(frame, 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위)이 있는지 찾는다. 만약 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동된다.
  ➍ 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화한다.
  ➎ 중단되었던 CPU를 다시 시작한다.

 

• 스레싱(thrashing)
  메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.
  
  스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것으로 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다. CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 되는 악순환을 통해 스레싱이 일어나게 된다.
  
  스레싱을 해결하기 위해서는 메모리를 늘리거나 HDD를 사용한다면 HDD를 SSD로 바꾸는 방법이 있고, 운영체제에서 해결하기 위해서는 작업 세트와 PFF가 있다.

• 작업세트(working set)
  프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것을 말한다.
  미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑도 줄일 수 있다.
  
  
• PFF(Page Fault Frequency)
  페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만든느 방법이다.
  상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 것이다.
  
  

• 메모리 할당
  메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데 연속할당과 불연속 할당으로 나뉜다.

• 연속할당
  메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말한다.
  
  * 고정분할방식(fixed parition allocation)
  메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융퉁성이 없고 *내부 단편화가 발생한다.
  
  * 가변분할방식(variable partition allocation)
  매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다.
  내부 단편화는 발생하지 않고 *외부 단편화는 발생할 수 있으며 가변분할방식 종류는 최초적합, 최적적합, 최악적합 세가지가 있다. 

이름	설명
최초적합 (first fit)	위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 *홀을 찾으면 바로 할당한다.
최적적합 (best fit)	프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당한다.
최악적합 (worst fit)	프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당한다.

 

* 내부 단편화(internal fragmentation)
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
* 외부 단편화(external fargmentation)
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상.
예를 들어 100MB를 55MB,  44MB로 나눴지만 프로그램의 크기는 70MB일 때 들어가지 못하는 것을 말한다.
* 홀(hole)
할당할 수 있는 비어있는 메모리 공간이다.

 

• 불연속할당
  
  메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법이다
  
  * 페이징(paging)
  동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다.
  홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해진다.
  
  * 세그멘테이션(segmentation)
  페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식이다.
  프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있음을 의미한다. 
  공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생한다.
  
  * 페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)
  공유나 보안을 의미 단위의 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)
  먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며, 가장 좋은 방법이지만 미래에 사용되는 프로세스를 우리가알 수없기 때문에 실제로 사용할 수 없는 알고리즘이지만 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 기준을 제공한다.
  
  
• FIFO(First In First Out)
  가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법을 의미한다.
  
  
• LRU(Least Recentle Used)
  참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다.
  오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있다.
  LRU를 프로그래밍으로 구현할 때는 해시 테이블과 이중 연결 리스트 두 가지 자료구조로 구현하는데, 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타낸다.
  
  
• NUR(Not Used Recently)
  LRU에서 발전한 알고리즘으로, clock 알고리즘이라고도 한다.
  먼저 참조되지 않음을 뜻하는 0과 최근에 참조된 1을 가진 비트를 두고 시계방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘이다.
  
  
• LFU(Least Frequently Used)
  가장 참조 횟수가 적은 페이지, 즉 많이 사용되지 않은 것을 교체하는 것이다.