메모리

메모리 계층

메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리 ,저장장치로 구성되어 있다.

• 레지스터: CPU 안에 있는 작은 휘발성 메모리
• 캐시: L1, L2 캐시를 지칭한다. 휘발성 메모리이다. L3 캐시도 존재한다
• 주기억장치: RAM을 가리킨다. 휘발성이다.
• 보조기억장치: HDD, SSD를 일컬으며 비휘발성이다.

캐시

• 캐시는 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.
• 이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결한다.
• 이처럼 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 한다.

지역성의 원리

캐시에 데이터를 넣을 때는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 넣는데, 이를 지역성이라고 한다.

 

시간 지역성

시간 지역성은 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 말한다. 예를 들어 for문에서 변수 i에 대해 지속적으로 접근하는 것을 말한다.

 

공간 지역성

공간 지역성은 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성을 말한다. 예를 들어 배열이 있다.

 

캐시히트와 캐시미스

캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트라고 하며, 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오늘 것을 캐시미스라고 한다.

 

캐시매핑

캐시매핑이란 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말한다.

이름	설명
직접 매핑	메모리 블록이 고정된 캐시 블록에 할당되는 방식을 말한다. 즉, 캐시 블록이 4개 있으면 메모리 블록을 %4하여 해당하는 값에 따른 캐시 블록에 할당한다. 처리가 빠르지만, 충돌 발생이 잦다.
완전 연관 매핑	메모리 블록이 어떤 캐시 블록에도 저장될 수 있는 방식을 말한다. 교체 정책(LRU, FIFO)에 따라 메모리 블록이 할당될 캐시 블록이 달라진다. 충돌이 거의 없지만, 교체하기 위해 모든 블록을 탐색해야 하기 때문에 속도가 느리다.
집합 연관 매핑	직접 매핑과 완전 연관 매핑을 합쳐놓은 방식을 말한다. 메모리가 1~100이있고 캐시가 1~10이 있을 때 1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것을 말한다. 즉, 특정 메모리 블록은 특정 캐시 집합에 저장되지만, 캐시 집합 내에서는 어느 블록이든 저장가능하다. 직접 매핑보다 충돌 위험이 적고, 완전 연관 매핑보단 빠르다

 

웹 브라우저의 캐시

소프트웨어적인 대표적인 캐시로는 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있다.

• 쿠키
  • 쿠키는 만료 기한이 있는 키-값 저장소이다.
  • same site 옵션을 strict로 설정하지 않으면 외부 사이트에서 요청했을 때 자동 전송되며, 4KB까지 데이터를 저장할 수 있다.
  • 예를 들어 shop.com에서 로그인하여 auth 쿠키를 받고 저장한 상태에서, facebook.com에서 shop.com으로 이동할 때는 쿠키를 전송하지 않는다. 즉, 로그인이 풀린다.
  • 쿠키를 설정할 때 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요하다.
•  로컬 스토리지
  • 만료기한이 없는 키-값 저장소이다.
  • 5MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지된다.
  • 클라이언트에서만 수정 가능한다.
• 세션 스토리지
  • 만료기한이 없는 키-값 저장소이다.
  • 5MB까지 저장 가능하며 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하고 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다.
  • 클라이언트에서만 수정 가능하다.

메모리 관리

메모리 할당

연속할당

메모리에 연속적으로 프로세스를 할당하는 것을 말한다.

고정 분할 방식

고정 분할 방식은 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이다. 따라서 내부 단편화가 발생한다.

 

가변 분할 방식

• 가변 분할 방식은 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다. 내부 단편화는 발생하지 않지만, 외부 단편화가 발생한다. 
• 최초적합, 최적적합, 최악적합이 있다.
  • 최초 적합: 위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당한다.
  • 최적 적합: 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당한다.
  • 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당한다.

내부 단편화 : 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어 낭비되는 메모리가 발생하는 상황을 말한다.
외부 단편화 : 남는 메모리들의 합인 총 메모리 공간은 충분하지만 각각 나뉘어져 있어서 실제 할당 가능한 공간은 부족하여 할당할 수 없는 상황
cf) 내부 단편화에서는 이미 '할당된 부분'인데 남는 공간인 것이므로 외부 단편화로 볼 수 없다.

 

불연속 할당

불연속 할당에는 페이징 기법이있다. 메모리를 동일한 크기의 페이지(보통 4KB)로 나누고 프로그램을 할당한다. 프로그램마다 페이지 테이블을 둔다. 페이징 기법 말고도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다.

페이지 테이블: 가상 주소와 실제 주소가 저장되어 있는 테이블을 말한다.

 

페이징

• 페이징은 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다.
• 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만, 주소 변환이 복잡해진다.

페이지: 가상 메모리에서 사용하는 단위
(페이지) 프레임: 실제 메모리에서 사용하는 단위

 

세그멘테이션

• 세그멘테이션은 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식이다. 프로세스를 이루는 메모리는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 이루어지는데, 코드와 데이터로 나누거나 코드 내의 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나눌 수 있다.
• 코드 영역, 데이터 영역 공유에서 장점을 가지지만 홀 크키가 균일하지 않은 단점이 있다.
• cf) 데이터 영역 : 전역 변수, 상수 저장 영역

페이지드 세그멘테이션

프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유 측면에 강점을 두고 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 방식을 말한다.

 

가상 메모리

• 가상 메모리는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말한다.
• 이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소라고 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소라고 한다.
• 가상 주소는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 페이지 테이블을 참고해서 변환한다. 이 때 속도 향상을 위해 TLB를 사용한다.

TLB: MMU 안에 있는 캐시 메모리로, 자주 사용되는 변환 정보(가상 주소->실제 주소)를 캐싱하여 성능을 향상시킨다.

 

페이지 폴트

페이지 폴트란 가상 주소 공간에는 존재하지만 실제 주소 공간에는 없는 데이터에 접근했을 때 발생하는 것을 말한다. 아래 사진과 같이 B의 경우는 실제 주소 공간에는 존재하지 않는 경우를 말한다.

 

페이지 교체 알고리즘

실제 주소 공간이 모두 사용되고 있을 때 당장 사용해야 할 페이지를 실제 주소 공간에올려야 할 때 사용한다.

오프라인 알고리즘

오프라인 알고리즘은 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘을 말한다. 가장 좋은 성능을 보이지만, 미래에 사용할 페이지를 알 수 없기 때문에 실현할 수 없다.

 

FIFO

FIFO는 가장 먼저 온 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘을 말한다.

 

LRU

참조가 가장 오래된 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘을 말한다. 오래된 것을 파악하기 위해 이중 연결 리스트를 두어야 하는 문제점이 있다.

 

NUR

• LRU에서 발전한 알고리즘으로 clock 알고리즘이라고도 한다.
• 먼저 0과 1을 가진 비트를 두는데, 1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미한다.
• 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당  프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘이다.
• 원래 1이었던 부분은 0으로 바꿔준다.

LFU

참조 횟수가 가장 작은 페이지를 교체한다. 즉, 많이 사용되지 않은 것을 교체한다.

 

스와핑

• 페이지 폴트가 발생했을 때, 페이지 교체 알고리즘을 통해 기존 페이지를 스왑 영역에 저장하고, 새 페이지를 메모리에 저장하는 것을 말한다.
• 이 때 스왑 영역은 보조기억장치에 존재하며, 파일 시스템과는 별도로 존재하는 일정 영역을 말한다.
• 따라서 스왑 아웃했다고 프로세스가 종료되어 디스크로 쫓는 것이 아니라 메모리에서 보조기억장치로 일시적으로 내려놓는 의미이다.

스레싱

• 스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.
• 페이지 폴트가 일어나면 스와핑을 진행하기 때문에 CPU 이용률이 낮아진다.
• CPU 이용률이 낮아지면 운영체제는 CPU의 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 되는 악순환이 반복된다.
• 해결 방법으로는 메모리를 늘리거나 속도가 빠른 SSD로 바꾸는 것이다.
• 운영체제에서 이를 해결할 수 있는 방법은 작업 세트(Working Set)와 PFF가 있다.
  • 작업 세트: 지역성을 통해 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것이다. 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있다.
  • PFF: 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로, 상한선과 하한선을 만든다. 만약 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고, 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 방식이다.