[운영체제] 8. Memory Management (1)

kocw 반효경 교수님의 운영체제 강의를 수강 후 작성한 글입니다.

1. 주소 바인딩 (Address Binding)

Logical address(=virtual address): 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간. 각 프로세스마다 0번지부터 시작하며 CPU가 보는 주소

Physical address: 메모리에 실제 올라가는 위치

주소 바인딩

주소를 결정하는 것. (물리적 메모리 주소를 결정)

Symbolic address (변수 할당, 함수 이름 등) -> Logical address -> Physical address

• Compile time binding
  • 물리적 메모리 주소가 컴파일 시 알려짐
  • 시작 위치 변경시 재 컴파일 (주소를 재부여)
  • 컴파일러는 절대 코드(absolute code) 생성
• Loading time binding
  • Loader의 책임하에 물리적 메모리 주소 부여
  • 컴파일러가 재배치가능코드(relocatable code)를 생성한 경우 가능
• Execution time binding(=Run time binding)
  • 수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리 상 위치를 옮길 수 있음
  • CPU가 주소를 참조할 때마다 binding을 점검(address mapping table)
  • 하드웨어적인 지원이 필요 (e.g., base and limit register, MMU)

 

Memory-Management Unit (MMU)

MMU: logical address를 physical address로 매핑해주는 hardware device

MMU scheme: 사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해내는 모든 주소값에 대해 base register(=relocation register)의 값을 더한다.

user program: logical address만을 다루며, 실제 physical address는 볼 수도 없고, 알 필요도 없다.

 

Dynamic Relocation

 

 

운영체제 및 사용자 프로세스 간의 메모리 보호를 위해 다음 레지스터를 사용

- Relocation register(=base register): 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최소값

- Limit register: 논리적 주소의 범위

2. Terminologies

Dynamic Loading

- 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load 하는 것

- memory utilization 향상

- 가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용 (ex. 오류 처리 루틴)

- 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능 (OS 라이브러리를 통해 지원 가능)

Dynamic Linking

- Linking을 실행 시간(execution time)까지 미루는 기법

• Static linking
  • 라이브러리가 프로그램의 실행 파일 코드에 포함됨
  • 실행 파일의 크기가 커짐.
  • 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리 낭비 (ex. printf 함수의 라이브러리 코드. 각 프로세스별로 중복되어 존재함)
• Dynamic linking 
  • 라이브러리가 실행시 연결(link) 됨
  • 라이브러리는 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둠
  • 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고 없으면 디스크에서 읽어옴
  • 운영체제의 도움이 필요
  • shared library, linux - shared object(.so), windows - dynamic linking library(.dll)

Overlays

- 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올림

- 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용

- 운영체제의 지원없이 사용자에 의해 구현

- 작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머사 구현 (Manual overlay, 프로그래밍이 복잡)

Swapping

- 프로세스를 일시적으로 메모리에서 baking store(ex. hdd, ssd) 로 쫓아내는 것

- Backing store(=swap area): 디스크. 많은 사용자의 프로세스 이미지를 담을 만큼 충분히 빠르고 큰 저장 공간

- Swap in / Swap out

• 일반적으로 중기 스케줄러(swapper)에 의해 swap out 시킬 프로세스 선정.
• priority-based CPU scheduling algorithm
  • priority가 낮은 프로세스를 swapped out 시킴
  • priority가 높은 프로세스를 메모리에 올려 놓음
• compile time 혹은 load time binding에서는 원래 메모리 위치로 swap in 해야 함
• execution time binding에서는 추후 빈 메모리 영역 아무곳에나 올릴 수 있으므로 유리
• swap time은 대부분 transfer time (swap되는 양에 비례하는 시간) 임

3. Allocation of Physical Memory

메모리는 일반적으로 두 영역으로 나뉘어 사용

• OS 상주 영역: interrupt vector와 함께 낮은 주소 영역 사용
• 사용자 프로세스 영역: 높은 주소 영역 사용

사용자 프로세스 영역의 할당 방법

• Contiguous allocation
  • 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것
  • Fixed partition allocation
  • Variable partition allocation
• Noncontiguous allocation
  • 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있음
  • Paging
  • Segmentation
  • Paged Segmentation

4. Contiguous Allocation

• Contiguous allocation
  • Fixed partition(고정분할) 방식
    • 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)으로 나눔
    • 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
    • 분할 당 하나의 프로그램을 적재
    • 융통성이 없음
      • 동시에 메모리에 load되는 프로그램의 수가 고정됨 (분할 수)
      • 최대 수행 가능 프로그램 크기 제한 (분할 크기)
    • Internal fragmentation, External fragmentation 모두 발생
  • Variable partition(가변분할) 방식
    • 프로그램의 크기를 고려해서 할당
    • 분할의 크기, 개수가 동적으로 변함
    • 기술적 관리 기법 필요
    • External fragmentation 발생

- External fragmentation (외부 조각)

프로그램 크기보다 분할의 크기가 작은 경우. 아무 프로그램에도 배정되지 않은 빈 곳인데도 프로그램이 올라갈 수 없는 작은 분할.

- Internal fragmentation (내부 조각)

프로그램 크기보다 분할의 크기가 큰 경우. 하나의 분할 내부에서 발생하는 사용되지 않는 메모리 조각. 특정 프로그램에 배정되었지만 사용되지 않는 공간.

 

- Hole

가용 메모리 공간. 다양한 크기의 hole들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있다. 프로세스가 도착하면 수용 가능한 hole을 할당한다.

운영체제는 다음의 정보를 유지 a) 할당 공간 b) 가용 공간(hole)

 

- Dynamic Storage-Allocation Problem

가변 분할 방식에서 size n인 요청을 만족하는 가장 적절한 hole을 찾는 문제

1) First-fit: size가 n 이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당

2) Best-fit: size가 n 이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당. Hole들의 리스트가 크기 순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole의 리스트를 탐색해야 하며, 많은 수의 아주 작은 hole들이 생성되게 된다.

3) Worst-fit: 가장 큰 hole에 할당. 모든 리스트를 탐색해야 하며, 상대적으로 아주 큰 hole들이 생성된다.

first-fit, best-fit이 worst-fit보다 속도와 공간 이용률 측면에서 효과적임.

 

- Compaction

external fragmentation 문제를 해결하는 한 가지 방법.

사용 중인 메모리 영역을 한군데로 몰고 hole들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것으로 CPU를 멈추고 옮겨야 하기 때문에 매우 비용이 많이 드는 방법이다.

최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법은 매우 복잡한 문제이다. (어떤 프로그램을 이동시킬 것인지 결정해야 함)

Compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행될 수 있다. (execution time binding)