CH7. Memory Management

#Background

메인 메모리, 레지스터_CPU가 직접 접근할 수O 유일한 저장장치

ㄴ프로그램이 실행되기 위해 -> 메모리로 적재

-메모리 하드웨어

ㄴ주소 + 데이터 읽기 요청/ 주소 + 데이터 쓰기 요청

-기본 하드웨어

레지스터 접근 -> 1 CPU clock 필요

/ 메인 메모리; 사이클 ↑ 필요 + 멈춤현상(stall) 발생

/ 캐시(Cache); 메인 메모리, CPU 레지스터 사이 존재

올바른 연산 보장 -> 메모리 보호 요구

*기준(Base) 및 상한(Limit) 레지스터

: 논리 주소 공간 정의

CPU_사용자 모드에서 생성 모든 메모리 주소

-> 사용자 기준, 상한 범위에 속하는 지 검사

*하드웨어 주소 보호

메모리 공간의 보호

: CPU 하드웨어가 사용자 모드에서 만들어진 모든 주소와 레지스터 비교

*주소 바인딩(Address Binding)

프로그램 실행되기 위해 메모리로 로딩

ㄴ운영체제; 사용자 프로세스가 가용한 메모리 어느 부분이라도 로드될 수O 지원

 

-바인딩 시점에 따른 구분

컴파일 시간(Compile time)

: 메모리 위치 미리 아는 경우 -> 절대주소(absolute code) 생성

ㄴ시작 주소 변경 -> 다시 컴파일

적재 시간(Load time)

: 미리 알 수X -> 컴파일러_재배치 가능 코드(relocatable code) 생성

재배치 가능 코드와 진짜 번지수와의 바인딩

실행 시간(Execution time)

: 프로그램이 실행 중 메모리 위치 변경할 수O/ 하드웨어 지원 필요

*사용자 프로그램의 단게별 처리 과정

source program -> compiler or assembler

ㄴcompile time

-> object module

-> linkage editor -> load module -> loader(<- system library)

ㄴload time

-> in-memory binary memory image(<-dynamicallyLoadedSystemLibrary)

ㄴexecution time(run time)

*논리 대 물리 주소 공간

-논리 주소(Logical address): CPU 의해 생성, 가상주소(virtual address)

-물리 주소(Physical address): 메모리 장치에서 인식되는 주소

-논리 주소 공간: 프로그램에 의해 생성되는 모든 논리 주소 집합

-물리 주소 공간: 논리 주소와 일치하는 모든 물리 주소 집합

*메모리 관리기(MMU)

기준 레지스터 = 재배치 레지스터(relocation register)

ㄴIntel 80x86에서 실행되는 MS-DOS_4개 재배치 레지스터 사용

사용자 프로그램; 논리주소O 실제 물리주소 알지X(논리주소 <- 물리주소 바인딩)

*동적 적재(Dynamic Loading)

: 메모리 공간 효율적 이용/ 루틴 필요한 경우 메모리 적재

/ 아주 간혹 발생하면서 코드 양 ↑ 경우 유용/ 프로그램 개발자 몫

프로세스 실행 -> 그 프로세스 전체 미리 메모리에 로딩

(프로세스 크기 < 메모리 크기)

*동적 링킹(Dynamic Linking)

-정적 링킹(Static linking)

: 로더 -> 시스템 라이브러리 + 프로세스 코드 -> 이진 프로그램 이미지 생성

 

-동적 링킹(동적 적재 개념과 유사)
: 실행 시간까지 링킹 연기/ 시스템 라이브러리(shared libraies) 유용

 

-스텁(stub)

: 그 라이브러리를 어떻게 찾을 것인가 알려주는 작은 코드

/ 라이브러리 호출하는 곳마다 생김

프로세스 각자 공간에서만 접근 가능O

-> 동적 링킹 운영체제 도움 필요O

 

#Swapping(스와핑)

메인 메모리와 저장장치 사이에서 프로세스 이동시킴

ㄴ프로세스 전체 물리 공간 > 물리 메모리 경우도 실행 가능O

/ 다중 프로그래밍 정도 ↑

CPU가 다음 프로세스 고르기 위해 디스패처 호출

-메모리에 O -> OK

-메모리에 X -> 메모리 공간O -> OK/ 메모리 공간X -> swap out and in

*스와핑 포함 문맥 교환 시간

-계산

표준 스와핑 현대 운영체제 사용X but, 변형된 버전 사용O

(가용 메모리 극도로 적을 경우 스와핑 발생)

*모바일 시스템에서의 스와핑

하드디스크보다 플래시 메모리 기반(보통 지원X)

ㄴ적은 공간/ 쓰기 사이클 횟수 제한

다른 방법 -> 메모리 확보

iOS; 앱이 자발적 메모리 반환할 것 요구

Android; 가용 메모리 ↓ -> 앱 종료

(빠르게 재시작 가능 -> 앱 상태 메모리 기록)

iOS/ Android 페이징 지원

*재배치와 상한 레지스터를 위한 하드웨어 지원

-메모리 보호 방법

프로세스_자신이 소유X 메모리 공간 접근X

재배치(relocation) 레지스터: 가장 작은 물리 주소 값

상한(limit) 레지스터: 논리 주소의 범위(프로세스 크기)

 

#Contiguous Allocation(연속 할당)

: 초기 메모리 할당 방법

메인 메모리; 운영체제, 사용자 프로세스 수용(제한된 자원 -> 효율적으로 할당)

*메인 메모리 2가지 분할(partitions)

-상주하는 운영체제: 보통 인터럽트 벡터와 함께 메모리 앞 위치

-사용자 프로세스: 각 프로세스 하난의 연속된 메모리 영역 저장

프로세스들에게 메모리 얼마만큼 어떻게 할당?

*메모리 할당

-고정 분할

: 모든 프로세스 동일한 크기 메모리 할당

/ 분할 개수 -> 다중 프로그래밍 정도 제한

 

-가변 분할(variable-partition)

: 프로세스마다 요청 -> 메모리 할당

운영체제_메모리 상태 파악 가능한 테이블 유지(할당된 분할과 가용 공간)

*동적 메모리 할당 문제

크기 n인 요청을 만족시키는 hole을 어떻게 찾을 것? (Hole: 가용 메모리 블록)

 

-최초 적합(First-fit): 충분히 큰 최초의 hole 할당

 

-최적 적합(Best-fit): 충분히 큰 가장 작은 hole 할당

(크기 순 정렬X -> 리스트 전체 탐색)

 

-최악 적합(Worst-fit): 가장 큰 hole 할당

(크기 순 정렬X -> 리스트 전체 탐색)

=> 모의 실험 결과

: 최초 적합, 최적 적합 > 최악 적합 속도, 공간 이용률

*단편화(Fragmentation)

-외부 단편화(External): 가용 공간의 크기 합 -> 요청 만족O but, 연속X

 

-내부 단편화(Internal): 일반적으로 메모리 -> 작은 공간으로 분할

/ 프로세스 요청 -> 분할된 크기의 정수 배로 할당

ㄴ할당된 메모리 > 요청된 크기 내부적 공간O but, 사용X 상황

 

-외부 단편화 해결법

밀집(compaction): 메모리 내용을 이동, 모든 가용 메모리 -> 하나 커다란 블록 but, 항상 사용X, 비용

=> 해결: 세그먼테이션, 페이징 기법

 

#Segmentation(세그먼테이션)

: 사용자 관점의 메모리 관리 기법

프로그램 = 세그먼트 모음

-세그먼트 논리적 구성 단위

: main program/ procedure or function/ object-method/ local variables, global variables/ common block/ stack/ symbol table/ arrays

*세그먼트 구조

-논리 주소 = 2-tuple = segment-number + offset

segement-number: 세그먼트 이름, 시스템_구분 쉽게 번호 표기

offset: 세그먼트 내 변위(0 < d < limit)

 

-세그먼트 테이블 <- 2차원 물리 주소 맵핑

테이블 항목 정보

ㄴ기준(base): 세그먼트 위치 메모리 시작 물리 주소/ 한계(limit): 세그먼트 길이

#Paging(페이징)

프로세스의 물리 주소 공간 연속적이지 않을 수O

프레임(frame): 물리 메모리의 고정 크기 블록

페이지(page): 논리 메모리의 같은 크기 블록

N개의 페이지 구성 프로그램 실행 -> N개 가용 프레임 찾아 적재

ㄴ모든 가용 프레임 추적해야 함

페이지 테이블(page table): 논리 주소 -> 물리 주소 변환 테이블

내부 단편화 여전히 발생

*주소 변환 기법

CPU -> 주소 생성

Page number (p): 물리 메모리 페이지 시작주소/ 페이지 테이블 인덱스로 사용

Page offset (d): 기준 주소와 결합 -> 메모리 장치 보내지는 물리 주소

논리 주소 공간 크기 2m, 페이지 크기 2n 경우

: page number range: 0~2m-n-1/ page offset range: 0~2n-1

 

-내부 단편화 계산

페이지 크기 = 2,048bytes/ 프로세스 크기 = 72,766bytes

/ 35pages + 1,086bytes/ 내부 단편화 2,048 – 1,086 = 962bytes

최악의 경우 단편화

평균적으로 프로세스 당 반 프레임의 내부 단편화 발생

-> 작은 크기의 프레임 바람직?

-> (X) 각 페이지 테이블 항목 개수 ↑ -> 메모리 차지 ↑

페이지 크기↑ <- 프로세스, 자료, RAM ↑

(Solaris; 2개 크기 페이지 지원_8KB and 4MB)