[250331] 운영체제 기억장치 관리

 

개요 

- 초기 컴퓨터 시스템에서 주기억장치(main memory) 는 비싼 장비였기 때문에 효율적인 사용, 관리를 위한 노력이 계속 되었다. 

- 주기억 장치에는 프로그램과 메모리가 있어야 한다. 직접 실행되고 처리되어야 하는 대상이기 때문. 

- 그러나 주기억장치 용량은 제한되어 있고, 비싸다. 이에 상대적으로 저렴하고 용량이 큰 자기테이브, 하드 디스크, 플래시 메모리 등의 보조 기억 장치가 사용되었다. 

- 주기억장치를 최적으로 사용하도록 구성, 관리하던 초기 컴퓨터 시스템에서부터 가상 메모리에 이르기 까지 다양한 기법이 발전되어왔다. 

 

초창기: 단일 사용자 전용 시스템

중기: 실기억장치 다중 프로그래밍 

이후: 가상 메모리 다중 프로그래밍 

 

에 이르기 까지 발전해온 내용을 아래 짧게 정리하겠다. 

 

 

먼저 관련 개념부터 몇가지 정리해보겠다. 

 

주소 바인딩 & 논리적 주소 & 물리적 주소 

- 디스크에 이진 파일 형태로 저장된 프로그램은 실행하기 위해 주기억 장치에 적재되어서 '프로세스'가 되어야 한다. 

- 이때 주기억 장치에 적재 되면 RAM 상에서의 '물리적 주소(physical address)'가 생긴다. 

- 사용자 프로그램은 이를 변수로 표현한 '논리적 주소(logical address)' 를 사용한다. cpu 가 만드는 주소임. ex. 0x0040 

- 여기서 보조 장치인 디스크 상에서의 주소는 중요하지 않다. 그냥 저장소일뿐.  프로그램이 '실행'되기 전까진 '단순한 파일' 상태임. 

- CPU 는 '물리적 주소'에만 접근할 수 있기 프로세스의 논리적 주소로는 RAM 안에서의 정확한 위치를 알 수 없고 논리적 주소를 물리적 주소로 변환하는 작업이 주소 바인딩 (address binding) 이다. 

 

주소 바인딩이 발생되는 시점은 아래 3가지로 구분된다. 

(1) 컴파일 시점: 컴파일 할때 결정되며 적재될 메모리의 위치를 미리 아는 경우에 발생. 잘 사용 안한다고 함. 

(2) 적재 시점: 미리 위치를 모르면, 일단 이진 코드를 재배치 가능 코드로 만들고, 기억장치에 적재되는 순간 적재기(loader)에 의해 이뤄진다. 

(3) 실행 시점: 프로그램이 실행되는 중에 주소가 바뀌면 (세그먼트에서 세그먼트로 이동) 주소 바인딩이 이뤄진다. (가상 메모리, paging 등), 논리적 주소와 물리적 주소가 다르다. MMU(Memory Management Unit) 이 수행한다. 

 

대부분의 OS 에서는 실행시 바인딩을 사용한다.

이때 '재배치 레지스터'가 논리주소를 물리주소로 변환 (논리주소 더하기 물리주소를 해줌 )함 ! 

=> 가상 메모리 이전에 사용된 기본모델. 

=> 가상 메모리 없는 환경이나 단순한 os 구조에서 사용. 

 

 

 

기억장치의 계층 구조 및 관리 기법 

기억장치의 계층 구조

주기억 장치(RAM) - 보조기억 장치 (하드 디스크, CD-ROM 등)

- 프로그램들과 데이터는 기억장치 계층사이를 빈번하게 왕복하면서 수행됨. 

- cpu 의 낭비로 이어짐. 

- 따라서 캐시(cache) 와 같은 부가적인 단계를 추가함 

- 주기억장치보다 접근 속도가 훨씬 빠르다. 

- 비록 왕복 단계가 한개 늘어났지만, 고속도로 데이터, 프로그램을 옮김으로써 ram 보다 빠르게 일함. 

- 이를 오버헤드 취급하기엔 성능 굿. 

- cpu 내부에는 레지스터 라는 기억 장치가 있다. cpu가 명령어 실행하면 즉각적으로 실행됨. 캐시나 램까지 가는 것도 느려서 존재하는 장치. 

 

 

관리 기법 

1) 인출 기법 (fetch) : 주기억 장치에 적재할 다음 프로그램, 데이터를 언제 가져올것인가 ? 

- 요구 인출: 실행 프로그램에 의해 어떤 프로그램이나 데이터가 참조되는 순간 주기억장치로 옮김. 언제 어디서 분기jump 될지 모르기 때문

- 예상 인출 : 앞으로 요구될 가능성이 큰 데이터, 프로그램을 주기억장치로 옮김. 

 

2) 배치 기법 (placement) : 보조기억 장치에서 RAM으로 불려온(인출=fetch) 데이터나 프로그램을 주기억장치 어디에 위치시킬것인가 정하는 기법. (first, best, worst) 로 나뉨. 

 

3) 교체 기법 (replacement): 새로 fetch 된 데이터나 프로그램을 저장하기 위해서 어떤 프로그램이나 데이터를 ram 에서 제거할 것인가 결정하는 기법. 

 

 

자, 이제 초기 컴퓨터 시스템에서의 기억장치 관리 방법 변화를 살펴보자. 본격적으로. 

 

 

첫번째, 단일 사용자 연속 기억장치 할당 

- 초기 컴퓨터 시스템은 임의의 시간에 한 사용자만이 시스템을 사용하도록 허락했다. 

- 도스(dos) 시대 같은 단순한 os 모델 때의 이야기. 

- 사용자는 모든 시스템을 맘대로 사용함. 

- root 유저 등의 사용자 권한 구분이랑은 상관없음.  

- 운영체제 자체가 한 명만 쓸 수 있게 설계된 구조. 

 

- 오버레이: 큰 프로그램을 여러 조각으로 나눠서, 필요한 부분만 메모리에 올리고 나머지는 디스크에 남겨두는 기법

- 시스템 보호: 운영체제가 시스템 자원(메모리, CPU, 파일 등)을 잘못된 접근으로부터 보호하는 기능

- 경계 레지스터: 프로세스가 접근할 수 있는 메모리 범위를 지정해주는 레지스터. 서로의 메모리 침범을 방지하기 위해. 가상 메모리 보호기법의 출발점. 

 

 

 

두번째, 고정 분할 (fixed partition) 기억 장치 할당 

- 단일 사용자 체제에서는 cpu 의 유휴 시간이 길어지고 자원 낭비가 심해짐. 

- 이에 다중 프로그래밍 시스템이 구현됨.

- 실제로 동시에 여러개를 하는 것이 아니고 빠르게 여러 프로그램을 옮겨다니면서 작업하는거임. 

- cpu 를 고정 크기로 분할해, 실행 중인 여러 프로세스에게 할당.  

- 분할(partition) : 하나의 단일 작업이 적재될 수 있는 일정한 크기의 기억장치 영역. 

 

 

세번째, 가변 분할 (variable partition)기억 장치 할당 

- 고정 분할은 메모리를 고정된 크기로 모두에게 일정하게 나눠주기 때문에 효율적이지 못했었다. 
- 이에 대해 동적(dynamic) 으로 기억장치를 분할하는 가변분할이 고안됨. 

- 이는 실행되는 프로세스에 필요한 메모리 양이 결정되었을때 메모리를 할당하는 방식임. 

- 그러나 미리 할당할 수 없어서 시간이 지날수록 여기저기 빈공간이 생김. 

- 필요한 크기의 연속된 공간이 없어지는 문제가 생기는데 이를 외부 단편화. 라고 함. = 쓸 수 없는 애매한 크기 빈공간이 생긴것. 

 

 

Q. 연속된 공간이어야만 쓸 수 있는가?

A. yes.

프로세스 하나는 메모리 안에 쪼개지지 않고 한덩어리로 적재됨. 이게 바로 단편화가 문제가 되는 이유. 고정분할에서는 모든 프로세스에 같은 크기의 메모리를 적재하니까 단편화가 생기더라도 예측이 가능함. 또한 메모리 100 안에 들어있는 60짜리 프로세스가 종료되면 100이 생기니 70,80,90 등 적재가능. 그러나 가변분할에서는 60만큼 할당되었을때 이 프로세스가 종료되면 60 이하의 프로세스만 다시 끼워넣을 수 있음. 

 

 

외부 단편화 vs 내부 단편화 

외부: 메모리 블록 외부, 전체 공간 사이사이에 발생함. 가변분할로 자투리 공간이 연속적이지 않아서 새 프로세스가 들어갈 수 없을때. 생김. / 해결방법: 페이징 또는 압축, 세그멘테이션, 합병. 

내부: 메모리 블록 내부에서 발생됨. 고정 분할된 메모리 블록 내부에 생기는 단편화. / 해결 방법: 더 작은 블록 크기 설정. 

 

 

공간 낭비 해결 방법 2가지 

 

(1) 공백의 합병 (coalescing holes)

- 공백hole 발생시, 다른 기억 공간과 인접되어 있는지 점검. 

- 빈 기억장소 리스트에 기록하거나, '인접한' 공백끼리는 합병하여 하나의 공백으로 기록함. 

 

Q. 왜 인접한 경우에만 가능할까?

A. OS 는 메모리를 주소 순서대로 연속된 공간으로 본다. 그래서 합치려면 주소적으로 이어져있어야 함. 

떨어져있는 공백은? 못합침 -> 이때에는 "압축" 해야함. 

 

(2) 압축 (compaction)

- 현재 사용 중인 공간(프로세스들)을 한쪽으로 연속되게 이동시켜서 흩어진 공백들을 한데 모으는 작업

- 이  과정에서 사용 중인 프로세스의 물리 메모리 주소가 바뀔 수 있음

-  일반적으로는 주소가 더 작은 쪽(낮은 주소 방향) 으로 프로세스를 당기고, 공백은 높은 주소 방향으로 밀려남

 

chat gpt 생성 이미지

 

 

기억장치 배치 기법 

기법	설명	장점	단점
				최초 적합 (First Fit)	가장 앞에서부터 훑어보다가 처음 맞는 공간에 배치	빠르고 단순	앞쪽에 단편화 생기기 쉬움
최적 적합 (Best Fit)	프로세스가 들어갈 수 있는 공간 중에서 딱 맞는 최소 공간 선택	공간 낭비 최소화	검색 시간 오래 걸림, 외부 단편화 유발
최악 적합 (Worst Fit)	가장 큰 공간에 배치해서, 나머지 공간을 크게 남겨보자	큰 공간 유지 가능	비효율적 배치 많고 단편화 큼

 

- 입력되는 프로그램과 데이터를 주기억장치 어느곳에 넣을것인가 에 대한 배치기법. 

- 어디에 배치할지에 따라 단편화 발생 정도가 달라질 수 있음. 

 

네번째, 기억 장치 교체 (swapping) 

- 과거에는 하나의 프로세스가 적재되고 수행 완료 될때까지 주기억장치 내에 쭉 적재돼 있었다. 

- 그러나 교체swapping 기법을 사용해 입출력, 인터럽트 등이 발생할때까지만 단일 사용자 작업이 일정시간동안 주기억 장치를 독점하고, 이후 제거swap out 된 후, 다음 작업이 적재 swap in 된다. 

- 제거된 작업, 새로 적재될 작업은 디스크나 플래시 메모리 같은 보조기억장치에 기억된다. 

- 통상적으로 하나의 작업(프로세스)는 주기억장치-보조기억장치를 왕복하며 "교체" 과정을 거친다고 볼 수 있다. 

- 초기 시분할 시스템이 사용한 기법이며 오늘날 페이징paging의 기초가 되는 기법이다.