운영체제

Memory Management1

뚜sh뚜sh 2023. 7. 10. 14:21

Logical vs Physical Address

- Logical address(=virtual address)

  • 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
  • 각 프로세스마다 0번지부터 시작
  • CPU가 보는 주소는 logical address임

- Physical address

  • 메모리에 실제 올라가는 위치

※ 주소 바인딩 : 주소를 결정하는 것

 

 

 

주소 바인딩(Address Binding)

- Compile time binding

  • 물리적 메모리 주소(physical address)가 컴파일 시 알려짐
  • 시작 위치 변경 시 재컴파일
  • 컴파일러는 절대 코드(absolute code) 생성

- Load 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(ex. base and limit registers, MMU)

 

 

 

Memory-Management Unit(MMU)

- MMU(Memory-Management Unit)

  • logical address를 physical address로 매핑해 주는 Hardware device

- MMU scheme

  • 사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해내는 모든 주소값에 대해 base register(=relocation register)의 값을 더한다

- user program

  • logical address만을 다룬다
  • 실제 physical address를 볼 수 없으며 알 필요가 없다

 

 

 

Dynamic Relocation

 

 

 

Hardware Support for Address Translation

- 운영체제 및 사용자 프로세스 간의 메모리 보호를 위해 사용하는 레지스터

  • Relocation register(=base register) : 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최소값
  • Limit register : 논리적 주소의 범위

 

 

 

Some Terminologies

  • Dynamic Loading
  • Dynamic Linking
  • Overlays
  • Swapping

 

 

 

Dynamic Loading

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

- memory utilization의 향상

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

- 운영체제의 특별한 지원없이 프로그램 자체에서 구현 가능(OS는 라이브러리를 통해 지원 가능)

※ Loding : 메모리로 올리는 것

※ Dynamic Loading과 페이징기법이 비슷하지만 Dynamic Loading은 프로그래머가 라이브러리를 통해 구현하는 것이고 페이징기법은 운영체제에서 지원해주는 것임

 

 

 

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 프로그래머가 구현

  • "Manual Overlay"
  • 프로그래밍이 매우 복잡

 

 

 

Swapping

- Swapping : 프로세스를 일시적으로 메모리에서 backing store로 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 아무 곳에나 올릴 수 있음
  • swap time은 대부분 transfer time(swap되는 양에 비례하는 시간)임

 

 

 

Schematic View of Swapping

 

 

 

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. printf함수의 라이브러리 코드)

- Dynamic linking

  • 라이브러리가 실행 시 연결(link)됨
  • 라이브러리 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

 

 

 

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)

 

 

 

Contiguous Allocation

- 고정분할(Fixed partition) 방식

  • 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)로 나눔
  • 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
  • 분할당 하나의 프로그램 적재
  • 융통성이 없음(동시에 메모리에 load되는 프로그램의 수가 고정됨, 최대 수행 가능 프로그램 크기 제한)
  • Internal fragmentation 발생(external fragmentation도 발생)

- 가변분할(Variable partition) 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 있음
  • 프로세스가 도착하면 수용가능한 hole을 할당
  • 운영체제는 다음의 정보를 유지(할당 공간, 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 해당

2. Best-fit

  • Size가 n 이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당
  • Hole들의 리스트가 크기순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole의 리스트를 탐색해야함
  • 많은 수의 아주 작은 hole들이 생성됨

3. Worst-fit

  • 가장 큰 hole에 할당
  • 역시 모든 리스트를 탐색해야 함
  • 상대적으로 아주 큰 hole들이 생성됨

※ First-fit과 best-fit이 worst-fit보다 속도와 공간 이용률 측면에서 효과적인 것으로 알려짐(실험적인 결과)

 

- compaction

  • external fragmentation 문제를 해결하는 한 가지 방법
  • 사용 중인 메모리 영역을 한군데로 몰고 hole들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
  • 매우 비용이 많이 드는 방법임
  • 최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법(매우 복잡한 문제)
  • Compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행될 수 있다