컴퓨터의 저장공간은 역시 성능이 좋을 수록 비싸다. 때문에 메모리를 계층화시키고 이를 효율적으로 이용하기 위한 연구가 계속 되고 있다.
메모리의 계층 구조
캐시 메모리 - 메인메모리 - 디스크 스토리지
따라서 위와 같이 메모리를 계층화하여 용도에 맞게 사용한다.
메모리의 추상화
각 프로세스는 자신만의 주소공간(프로그램에 적재될 수 있는 추상화된 주소집합)을 갖는다.
A 프로세스의 28번 주소
B 프로세스의 28번 주소
위 두 28번 주소는 달라야 한다.
따라서 논리주소만 고려할 수 있도록 조치가 필요하다.
재배치
- 동적 재배치 : 프로그램 실행시, MMU 통해 동적으로 배치
but 덧셈을 매번 해야 하는 단점이 있다..
- 정적 재배치 : 적재한 초기 위치부터 주소 재배치(적재기 Loader 통해)
그러나…
1) 실수나 의도적으로 OS 파괴가 가능하다.
2) 여러 프로그램 동시에 실행이 어렵다.
가용메모리 공간 관리
실제 메모리보다 사용 메모리가 더 클 경우에 이것을 어떻게 대처할 것인가?
스와핑
실행되지 않는 것, 디스크로 내림. 스왑 될때 재배치가 필요.
어떤 메모리를 스와핑 할 것인가? 리스트를 활용하여 가용메모리 공간을 관리한다.
1) 최초적합 : 빈공간 발견시 할당
2) 다음적합 : 지난번 위치의 다음부터 검색
3) 최적적합 : 모두 검색-> 가장 근접 공간에 할당 <-> 최악적합
4) 빠른적합 : 공통크기 메모리 공간 -> 서로 다른 리스트로 관리
그러나 스와핑은 너무 느리다.
오버레이
프로세스를 작은 조각으로 나누어 실행한다.
그러나 그것은 프로그래머의 몫으로, 너무 복잡하다.
가상메모리
가용 메모리 공간을 종결할, 가상 메모리.
프로세스는 자신의 고유한 주소공간(프로그램에 적재될 수 있는 추상화된 주소집합)을 가지며, 주소공간은 페이지라는 조각으로 구성된다.
페이징 기법을 활용하면, 여러 프로그램의 부분들이 물리 메모리에 동시 존재할 수 있다.
페이징 기법
어떻게 가상 메모리가 페이징 기법을 사용해서 매핑되는지 보자.
- 프로그램이 메모리의 주소(가상메모리)를 참조한다.
- 가상메모리는
16bit 메모리는4bit/8bit로 나누어 지는데,4bit로페이지테이블을 검색한다. - 4bit
0 0 1 0은 10진수로2이므로페이지테이블2번과 매핑되고, 해당 페이지 테이블을 살펴보니1 1 0 1로 4번째1은 present/absent bit 이므로, 현재 메모리에 적재되어 있다는 것을 알 수 있다. - 페이지 테이블에서 찾은
1 1 0과 8bit 메모리 주소0 0 0 0 0 1 0 0을 합친 주소가 실제 물리 메모리 주소이다. MMU를 이용하여, 실제 물리 메모리 주소로 매핑된다.
만약 present bit가 0으로 매핑되어 있지 않으면, 페이지 폴트가 일어나고 페이지 프레임 내용이 교체 된다.
페이지 테이블 구조
|캐싱가능여부|참조|수정|보호|present/absent|페이지 프레임 Num
페이징 속도 향상
페이지 테이블 전체를 적재하여, 구현 비용이 커진다. TLB(Translation Lookaside Buffer)를 이용하여 페이지 테이블 참조없이 가상주소를 물리주소에 매핑한다. MMU 내부에 존재하며 순서 없이 한 번에 찾는다.
페이지 교체 알고리즘
페이지 프레임 교체 대상은 누구인가?
- 최적 페이지 교체 알고리즘(OPT) : 가장 먼 미래에 참조될 캐시 퇴출(그러나 미래를 알 수 없음;;)
- LRU(Least Recently Used) : 시간상 최근 참조 -> 최근에 다시 참조
- LFU(Least Frequently Used) : 빈도상 많이 참조 -> 미래에도 많이 참조(maxheap으로 구현)
- FIFO(First-In First-Out) : 먼저 들어온게 먼저 나감.
- Second-Chance 페이지 교체 알고리즘, 클록 페이지 교체 알고리즘
대상인지 아닌지 확인할 때 R=1 이면, 0으로 바꾸고 넘어감. R이 0이라면 대상.
- 작업집합 페이지 교체 알고리즘 : 프로세스가 현재 자주 참조하는 페이지들의 집합인지 확인. 문맥교환시 - 선페이징 통해 프로세스 시작전 작업집합들 페이지 적재.
페이지 교체시 쟁점
지역 페이지 교체 : 자기 프로세스에 속해있는 페이지중 고려.
전역 페이지 교체 : 전체 프로세스 중에 고려, 실행에 따라 작업집합의 크기 변할 때 유리.
혼합 : 전역 알고리즘 사용, 크기에 비례하여 페이지 할당. 페이지 폴트 빈도수(PFF)에 맞추어 추가 할당/반납 -> 상한/하한
페이지 크게 : 페이지 폴트 적게 일어남, 관리 쉽다, 페이지 테이블 작아짐, but 내부 단편화 심함.
페이지 작게 : 내부 단편화 줄어듬, But 많은 페이지 필요
Reference
운영체제론 - 노삼혁