메모리 관리 배경
다중 프로그래밍 시스템에서는 여러 개의 프로세스가 실행되고, 각 프로세스는 독립적인 메모리를 할당받아야 한다.
따라서 어떤 프로세스에게 어떤 식으로, 얼마나 메모리를 할당할 것인지 주기억장치를 동적 분할하는 메모리 관리 작업이 필요하다.
메모리 관리 기법
- 교체 기법
- Swapping
- Swapping
- 할당 기법
- 연속 할당 기법
- 고정분할 방식
- 가변분할 방식
- 불연속 할당 기법
- 페이징(Paging)
- 세그멘테이션(Segmentation)
- 연속 할당 기법
- 배치 기법
- 최초 적합(First-Fit)
- 최적 적합(Best-Fit)
- 최악 적합(Worst-Fit)
교체 기법 - Swapping
스와핑(Swapping)은 현재 사용되지 않는 메모리 내용을 디스크의 스왑 영역으로 스왑하여 다른 응용 프로그램이나 프로세스에서 사용할 수 있도록 하는 메모리 회수 방법이다.
스왑 영역은 가상 메모리 관리를 위해 사용되는 디스크 영역이다. 프로세스가 수행 중인 동안에만 디스크에 일시적으로 저장하는 공간이기 때문에 휘발성이며 저장 기간이 짧다.
- Swap in: 디스크에서 메모리로 올리는 작업
- Swap out: 메모리에서 디스크로 내리는 작업
사용자가 B라는 프로그램을 실행하고 싶은데 이미 A라는 프로그램이 실행되고 있어서 메모리가 부족한 경우, 운영체제가 A 프로그램을 디스크로 내보낸다.(Swap out)
이제 여유 공간이 생겼으니 B를 메모리에 올린다.(Swap in) B가 충분히 실행되고 나면 B를 디스크로 내리고(Swap out), 대기하고 있던 A를 다시 메모리에 올린다.(Swap in)
연속할당 기법
연속할당 기법은 프로세스를 메모리에 올릴 때 주소 공간을 여러 개로 분할하지 않고, 물리적 메모리의 한 곳에 연속적으로 적재하는 방식이다.
연속할당 기법은 이 물리적 메모리 공간을 어떻게 나누는지에 따라 다시 고정 분할 방식과 가변 분할 방식으로 나뉜다.
고정 분할 방식
고정 분할 방식은 물리적 메모리 공간을 고정된 크기로 분할하는 것이다.
단점
- 융통성 부족
메모리에 동시에 올릴 수 있는 프로그램의 수가 한정되어 있고, 고정된 크기로 인해 수행 가능한 프로그램의 최대 크기 역시 제한되기 때문에 융통성이 떨어진다.
- 단편화(Fragmentation)
단편화
이미 고정된 크기로 정해져 있는 분할들이 꼭 맞는 크기의 프로세스들로 채워지는 것은 거의 불가능하다. 그렇기 때문에 분할 내에는 프로세스를 수용하고 남는 공간이 발생하게 된다. 이 공간은 해당 분할에 들어있는 프로세스가 나갈 때까지 사용되지 못하고 낭비된다.
또한, 분할 크기를 너무 작게 잡을 경우 아예 프로세스가 적재되지 못하는 현상도 발생할 수 있다.
- 내부 단편화(Internal Fragmentation)
각 분할에 프로세스가 적재된 후 남은 공간을 말한다.
- 외부 단편화(External Fragmentation)
분할 자체의 크기가 너무 작아서 프로세스를 수용할 수 없는 경우를 말한다.
가변 분할 방식
가변 분할 방식은 메모리에 적재되는 프로그램의 크기에 따라 분할의 크기, 개수가 동적으로 변하는 방식이다.
- 장점: 내부 단편화 발생 X
프로그램의 크기에 맞게 분할의 크기를 정하기 때문에 내부 단편화는 발생하지 않는다.
- 단점: 외부 단편화 발생 O
실행 중이던 프로그램이 종료될 경우 메모리에 빈 공간이 발생하고, 이 공간이 새로 시작될 프로그램의 크기보다 작은 경우 외부 단편화가 발생할 수 있다.
가변 분할 방식에서는 프로세스를 메모리 공간의 어디에 적재할 것인지를 고려해야 한다. 이때 메모리 관리 기법 중 배치 기법을 적용한다.
- 최초 적합(First-Fit): 프로세스가 적재될 수 있는 가용 공간 중 첫 번째 분할에 할당하는 방식
- 최적 적합(Best-Fit): 가용 공간 중 가장 크기가 비슷한 공간을 선택하여 프로세스를 적재하는 방식
- 최악 적합(Worst-Fit): 프로세스의 가용 공간들 중에서 가장 큰 공간에 할당하는 방식
불연속 할당 기법
불연속 할당 기법은 하나의 프로세스가 물리적 메모리의 여러 위치에 분산되어 올라가는 메모리 할당 기법이다.
불연속 할당 기법은 하나의 프로그램을 분할하는 기준에 따라 아래의 두가지로 나뉜다.
- 페이징(Paging)
- 세그멘테이션(Segmentation)
페이징(Paging)
모든 프로그램은 작은 조각들로 나눠지게 되는데, 조각들의 크기를 모두 같도록 할 때 한 조각을 페이지(Page)라고 부른다. 디스크 사이에서 한 번에 전송되는 전송 단위가 된다.
페이징이란, 프로세스의 주소 공간을 페이지 단위로 나누어 물리적 메모리의 서로 다른 위치에 저장하는 방식이다. 메모리 역시 페이지와 같은 크기의 프레임 단위로 나누어져 있다.
메모리를 페이지와 같은 크기로 미리 분할해두기 때문에 빈 프레임이 생기는 즉시 새로운 페이지가 적재될 수 있다. 따라서 외부 단편화는 발생하지 않는다.
하지만 프로그램의 크기가 항상 페이지 크기의 배수가 된다는 보장이 없기 때문에 내부 단편화가 발생할 수 있다.
예를 들어, 프로세스 A가 3001B의 메모리를 필요로 하고 각 페이지의 크기가 1000B라면, A에 필요한 프레임은 총 4개이다.(1000 + 1000 + 1000 + 1) 따라서 1B가 적재되는 프레임은 999B의 낭비 공간이 생기는 것이다.
페이지 테이블
페이징 기법은 각 페이지를 메모리의 서로 다른 위치에 저장하기 때문에 특정 프로세스의 몇 번째 페이지가 메모리의 몇 번째 프레임에 적재되어있는지에 대한 정보가 필요하다.
이 정보를 담고 있는 것이 페이지 테이블이다.
세그먼테이션(Segmentation)
세그먼테이션은 프로세스의 주소 공간을 논리적 단위인 세그먼트로 나누어 물리적 메모리에 올리는 기법이다.
세그먼트(Segment)는 주소 공간을 기능 또는 의미 단위로 나눈 것을 말한다. 일반적으로 코드, 데이터, 스택 등의 기능 단위로 세그먼트를 정의한다.
세그먼트는 특정 크기로 나눈 것이 아니라 논리적 단위로 나눈 것이기 때문에 그 크기가 균일하지 않다. 따라서 페이징 기법보다 구현이 더욱 복잡하고, 서로 다른 크기의 세그먼트들을 메모리에 적재하는 관리 오버헤드가 발생하게 된다.
세그먼트 테이블
세그먼테이션 기법 역시 페이징 기법과 마찬가지로 주소 변환을 위해 세그먼트 테이블을 사용한다.
페이지 테이블과의 차이점은 저장하고 있는 정보의 차이이다.
페이지 테이블은 모든 페이지의 크기가 동일하므로 각 페이지가 어디에 위치하고 있는지만 저장하면 된다.
하지만 세그먼트의 크기는 균일하지 않기 때문에 저장된 위치(base)와 세그먼트의 길이(limit)를 함께 저장해줘야 한다.