물리 메모리 관리

도서 쉽게 배우는 운영체제와 강의 운영체제-반효경 를 보고 정리한 글입니다.

 

 

📌 메모리 관리자

 

모든 프로그램은 실행되기 위해 메모리로 올라와야 한다.

 

그리고 시분할 시스템에서는 여러 프로그램이 메모리에 올라와있기 때문에, 메모리를 적절하게 관리하는 것은 성능에 중요한 영향을 준다.

 

이러한 메모리 관리를, 메모리 관리자 (Memory Manage Unit, MMU) 라는 하드웨어가 담당한다.

 

가져오기 작업

메모리 관리자는 사용자가 요청하면 프로세스와 데이터를 모두 메모리로 가져온다.

 

메모리가 충분하지 않다면, 일부만 먼저 가져오고 나머지 메모리는 지속적으로 가져오는 경우도 있고

 

사용자의 요청이 없더라도 앞으로 필요할 것으로 예상되는 데이터를 미리 가져오기도 한다.

 

 

배치 작업

가져온 프로세스와 데이터를 메모리의 어떤 부분에 올려놓을지 결정한다.

 

배치 작업 전, 메모리를 어떤 크기고 자르는지에 따라, 메모리 관리의 복잡성이 달라진다.

 

메모리를 같은 크기로 자르는 것을 페이징이라고 하며

프로세스의 크기에 맞게 자르는 것을 세그먼테이션이라고 한다.

 

재배치 작업

새로운 프로세스를 메모리로 가져와야 하는데, 메모리가 꽉찬 경우

 

오래되거나 잘 사용되지 않는 프로세스를 내보내는 작업이다.

자주 사용할 프로세스를 내보내면 성능이 떨어지기 때문에, 앞으로 사용하지 않을 프로세스를 내보내는 것이 중요하다.

 

 

📌 메모리 주소

CPU의 비트는 한 번에 다룰 수 있는 데이터의 최대 크기를 의미한다.

 

32bit CPU 내의 레지스터 크기, 논리 연산장치, 데이터를 전송하는 버스의 크기(대역폭) 모두 32bit 이다.

 

이 비트 수에 따라 표현할 수 있는 메모리 주소의 수가 달라진다.

 

32비트는 표현할 수 있는 메모리의 수가 2의 32승 개이기 때문에 약 4GB이다.

 

반면에, 64bit CPU의 경우 2의 64승 개로, 거의 무한대에 가까운 메모리 주소를 사용할 수 있다.

 

절대 주소(물리 주소)와 상대 주소(논리 주소)

 

절대 주소

절대 주소란, 실제 물리 주소를 가리키는 주소이다.

 

메모리 관리자 입장에서 바라본 주소이며, 컴퓨터에 꽃힌 램 메모리의 실제 주소를 말한다.

 

어떤 프로세스가 메모리 400번지에 올라왔다면, 이 프로세스의 절대 주소는 400번지인 것이다.

 

상대 주소

 

 

상대 주소란, 사용자 프로세스 입장에서 바라본 주소이며 사용자 영역이 시작되는 번지를 0번지로 변경하여 사용하는 주소 지정 방식이다.

운영체제 역시 프로세스이기 때문에, 메모리 위에서 실행되어야 하는데

운영체제는 시스템을 관리하는 중요한 역할을 하기 때문에, 다른 프로세스가 침범하지 못하도록 분리하여 관리한다.

운영체제를 제외한 프로세스가 사용하는 메모리 영역을 사용자 영역이라하고, 사용자 영역이 시작되는 부분의 메모리 번지를 경계 레지스터라고 한다.

 

예를 들어, 어떤 프로세스가 경계 레지스터 주소가 360이고, 절대 주소 400번지에 올라왔다고 가정했을 때

 

사용자 영역이 시작되는 번지는 360이기 때문에, 상대 주소는 40이 되는 것이다.

 

실수로 운영체제가 존재하는 물리 주소로 접근할 일이 아예 없게끔 만드는 방법이라고 생각할 수 있다.

 

 

 

 

프로세스는 상대 주소를 갖고 있고, CPU에게 상대주소 346번지에 있는 데이터를 요청하면

 

CPU는 메모리 관리자에게 상대 주소 346번지에 있는 데이터를 가져오라고 요청한다.

 

메모리 관리자는 재배치 레지스터에 사용자 영역이 시작되는 절대 주소를 알고 있기 때문에

 

요청 받은 상대 주소에 경계 레지스터 주소를 더해 절대 주소를 구한 뒤, 실제 메모리의 절대 주소로 접근하여 데이터를 가져온다.

 

또한, 한계 레지스터는 프로세스의 크기를 저장하고 있다.

 

한계 레지스터의 역할은, 프로세스의 크기를 넘어가는 상대 주소의 데이터를 요청하는 경우

 

다른 프로세스의 데이터가 있는 절대 주소로 접근할 수 있기 때문에 이를 체크하기 위해 존재한다.

 

📌 메모리 분할

 

가변 분할 방식

가변 분할 방식은, 프로세스의 크기에 따라 메모리를 나누는 것이다.

 

프로세스의 크기에 맞게 메모리가 분할 되므로, 각 프로세스의 메모리 영역의 크기가 각각 다르다.

 

한 프로세스가 연속된 공간에 배치될 수 있어, 연속 메모리 할당이라고 한다.

 

💡 연속적으로 처리가 가능하다는 장점이 있지만

 

🚨 여유 메모리 공간에 따라 메모리 통합 등의 부가적인 작업이 필요해서 메모리 관리가 복잡하다.

 

위와 같은 상황에서, 필요한 메모리 영역은 2칸이지만, 2칸이 연속으로 비어있는 공간이 없어 할당하지 못하는 상태이다.

 

위와 같이, 할당을 대기 중인 프로세스가 필요한 메모리 공간이 19KB 일 때, 할당할 수 없는 2개의 빈 메모리 공간이 생긴다.

 

이러한 부분을 외부 단편화라고 한다.

 

따라서, 외부 단편화의 수를 최소화 시키기 위해 메모리 배치 방식이나 조각 모음을 사용해 해결한다.

 

메모리 배치 방식 : 필요한 메모리와 빈 공간의 크기가 최대한 유사하도록 배정하거나 일부러 큰 차이가 나는 공간에 배치함으로서 메모리 활용도를 높이는 방법이다.

조각 모음 : 서로 떨어져 있는 여러개의 빈 공간을 합치는 작업이다. 프로세스의 동작을 멈춰야 하므로 시간이 걸릴 수 있다.

 

고정 분할 방식

고정 분할 방식은, 프로세스의 크기와 상관없이 메모리를 같은 크기로 나누는 것이다.

 

한 프로세스가 분산되어 배치되므로 비연속 메모리 할당이라고 한다.

 

💡 메모리를 같은 크기로 나누기 떄문에 관리하기가 편하다.

 

🚨 단, 하나의 프로세스가 물리 메모리에 연속적으로 저장되어있지 않기 때문에, 논리 주소를 변환하는 과정이 가변 분할 방식에 비해 복잡해진다.

 

 

분할한 메모리보다 크기가 작은 프로세스를 사용하는 경우 낭비되는 빈 공간이 생기는데, 이 공간을 내부 단편화 라고 한다.

 

동일하게 분할되는 공간의 크기를 조절하여 내부 단편화를 최소화 시켜야 한다.