[OS] 메모리 관리

OS 의 대표적인 할 일 중 하나가 메모리 관리다.

컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야 하는 것이다.

 

Virtual Memory 가상메모리 

: 가상메모리는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용가능한 메모리 자원을 추상화해 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말한다. 

 

가상적으로 주어진 주소를 가상주소 logical address 라고 하고 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소 physical address 라고 한다.

가상 주소는 메모리관리장치 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 들어있는 '페이지 테이블' 로 관리된다. 

이때 속도 향상을 위해 TLB 를 쓴다. 

TLB 란 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시다. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관해 CPU 가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다. 

 

 

Swapping 스와핑

: 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 RAM 으로 불러와 올리고, 사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하면서 RAM 을 효과적으로 관리하는 것을 스와핑이라고 한다.

 

Page Fault 페이지 폴트

: 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM 에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생한다. 

이때는 운영체제가 아래와 같은 과정으로 해당 데이터를 메모리로 가져와서 마치 페이지폴트가 전혀 발생하지 않은 것처럼 프로그램이 작동하게 해준다. 

1. CPU 는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알린다. 
2. 운영체제는 CPU 의 동작을 잠시 멈춘다.
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인해 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고,없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어있는 프레임이 있는지 찾는다. 물리메모리에도 없으면 스와핑을 한다.
4. 비어있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고 페이지 테이블을 최신화한다.
5. 중단되었던 CPU를 다시 시작한다.

 

Thrashing 스레싱

: 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 말한다. 컴퓨터의 심각한 성능저하를 초래한다.

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것이다.

페이지폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다.

CPU 이용률이 낮아지면 운영체제는 CPU 가 한가한줄알고 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 됨 ㅜㅜ

이런 악순환이 반복되면서 스레싱이 일어나는 것임!

 

 

그래서 이를 해결하려면 메모리를 늘리거나, HDD 를 사용한다면 SSD로 바꾸는 것도 방법. 

이외에 운영체제에서 스레싱을 해결하는 방법에는 작업세트와 PFF가 있당.

 

- 작업세트 working set

: 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것이다.

미리 메모리에 로드하게 되면 탐색하는데 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑도 줄일 수 있음

 

- PFF; Page Fault Frequency

: 페이지 폴트 빈도수를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법이다. 만약 상한선에 도달하면 페이지를 늘리고 하한선에 도달하면 페이지를 줄이는 것!