🌟 본 게시물은 이화여자대학교 반효경 교수님 강의를 참고로 작성한 게시물 입니다. 틀린 내용은 꼬옥 지적 부탁드립니다 ! 🌟

🗳️ Memory Management 1

1. 논리적 주소와 물리적 주소

✔️ 논리적 주소란(Logical address)?

프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
각 프로세스마다 0번지부터 시작
CPU가 보는 주소는 logical address이다.

✔️ 물리적 주소란(Logical address)?

실제 메모리에 올라가는 위치

1.2 주소 바인딩(Address Binding)

프로세스의 물리적 메모리 주소를 결정하는 것
Symbolic Address → Logical Address → Physical Address
🌟 Symbolic Address? 프로그래머가 사용하는 심볼릭한 주소

✔️ 사용자 프로그램

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

✔️ Compile time binding

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

❗ 논리적 메모리 주소가 물리적 메모리의 주소가 되므로 여유있는 메모리 공간이 있어도 고정적인 메모리 주소를 갖기 때문에 비효율적

✔️ Load time binding

프로그램 실행 시 물리적 주소가 결정되는 방식
컴파일러가 재배치 가능한 코드를 생성한 경우 발생 가능

✔️ Run time binding

프로그램 실행 도중 물리적 메모리 주소가 변경될 수 있는 방식
CPU가 주소를 참조할 때마다 binding을 점검해야 함 (address mapping table)
하드웨어적인 지원이 필요함
- (base and limit registers, MMU)
현대에서 주로 사용되는 방식

✔️ Memory-Management Unit (MMU)?

MMU
- 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

💡 운영체제 및 사용자 프로세스 간의 메모리 보호를 위해 사용하는 레지스터

relocation register
- 프로세스의 물리적 메모리 시작위치를 저장한다 (접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최소값)
limit register
- 물리적 메모리 주소의 한계영역을 지정하기 위해 프로그램의 최대 크기를 저장한다.
- 논리적 주소의 범위 (프로그램의 최대 크기)
  - 예를 들어 P1의 시작 주소가 14000이고 프로그램의 크기가 3000일 때 P1은 14000~17000 사이만 접근할 수 있다.

2. Some Terminologies

1. Dynamic Loading

프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load하는 것
memory utilization의 향상
가끔식 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용
- ex) 오류 처리 루틴
운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능(OS는 라이브러리를 통해 프로그래머를 지원함)

2. 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 복잡함
- Dynamic Loading과 비슷한 역할을 하지만 OS의 지원이 하나도 없다는 점에서 차이가 있음

3. 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) printf를 호출하는 n개의 프로세스가 있으면 동일한 라이브러리여도 각각 printf 함수의 라이브러리를 메모리에 올리게 됨

✔️ Dynamic linking

라이브러리가 실행시 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 필요함
Dynamic linking을 지원하는 라이브러리를 shared library 라고 함
- window → DLL
- linux → shared object

4. 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
- CPU 우선순위가 낮은 프로세스를 swapped out 시킴
- CPU 우선순위가 높은 프로세스를 메모리에 올려놓음
Complie time 혹은 load time binding에서는 다른 메모리 공간이 비어있더라도 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
원칙적으로 프로세스 전체가 메모리에서 쫓겨나는 것을 Swap out 이라고 하지만 프로세스 일부분이 쫓겨나는 것도 swap out 이라고 부르기도 한다.

3. 물리적 메모리 관리

✔️ 메모리는 일반적으로 두 영역으로 나눠어서 사용 됨

OS 상주 영역(커널)
- interrupt vector와 함께 낮은 주소 영역 사용
사용자 프로세스 영역

✔️ 사용자 프로세스 영역의 할당 방법

Contiguous allocation(연속할당)
- 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것
  - Fixed partition allocation
  - Variable partition allocation
Noncontiguous allocation(불연속할당)
- 현대 시스템의 사용 방법
- 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있음
  - Paging
  - Segmentation
  - Paged Segmentation

✔️ 외부조각과 내부조각

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
- 분할에 배정된 프로그램보다 분할의 크기가 더 커서 생기는 사용되지 않는 메모리 공간

4. Contiguous allocation(연속할당)

4.1 Fixed partition(고정분할)

물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)으로 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(=내부조각) 과 external fragmentation(=외부조각) 발생

4.2 Variable partition(가변분할)

프로그램의 크기를 고려해서 할당
분할의 크기, 개수가 동적으로 변함
기술적 관리 기법 필요
external fragmentation(=외부조각) 발생

1️⃣ Hole

가용 메모리 공간
다양한 크기의 hole들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있음
프로세스가 도착하면 수용가능한 hole을 할당
운영체제는 다음의 정보를 유지
- a) 할당 공간 b) 가용 공간(hole)

2️⃣ Dynamic Storage-Allocation Problem

가변 분할 방식에서 size n인 요청을 만족하는 가능 적절한 hole을 찾는 문제
First-fit
- Size가 n 이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당
- 셋 중 오버헤드가 가장 적음
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
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 횩하적인 것으로 알려짐 (실험적 결과)

3️⃣ Compaction

external fragmentation 문제를 해결하는 한 가지 방법
사용 중인 메모리 영역을 한군데로 몰고 hole들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
전체 프로그램 바인딩과 관련되어 있기 때문에 비용이 많이 듬
최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법 (매우 복잡한 문제)
Compcation은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 수행될 수 있다.
- Runtime binding이 지원되어야 사용 가능함

Reference

이화여자대학교 반효경 교수님 운영체제 강의

[운영체제 스터디] 메모리 관리 - 논리적 주소와 물리적 주소