메모리 관리 개념

메모리 관리 기법

메인 메모리는 운영체제를 위한 영역과 실행 중인 프로그램을 위한 영역으로 구분.

메모리 관리

- 다중 프로그래밍 시스템에서 운영체제에 의해 동적으로 메모리의 사용자 영역을 여러 프로세스가 상주할 수 있도록 세분화하는 과정.

반입 정책

메인 메모리에 적재할 다음 프로세스의 반입시기를 결정하는 방법.

- 요구 반입 기법.

* 운영체제나 시스템 프로그램, 사용자 프로그램 등의 참조요구에 따라 메인 메모리에 적재하는 방법으로 오랫동안 사용됨.

- 예상 반입 기법.

* 시스템의 요구를 예측하여 메모리에 미리 적재하는 방법으로 최근 사용되기 시작함.

* 요구되는 페이지 외의 다른 페이지도 함께 불러들이며, 탐색시간과 회전 지연시간을 갖는 보조기억장치의 특성을 참조한 정책.

배치 정책

디스크에서 반입한 프로세스를 메인 메모리 어느 위치에 저장할 것인가를 결정하는 방법.

최초 적합, 최적 접합, 최악 적합

대치 정책

재배치 기법으로 메인 메모리에 있는 어떤 프로세스를 제거할 것인가를 결정.

메모리 해석에 대한 두 가지 관점

물리적 공간과 논리적 공간으로 구분.

물리적 공간(물리적 주소)

- 실제 데이터나 프로그램이 저장되는 공간.

- 메모리 칩(Chip) 또는 디스크 공간으로 생성. 사용되는 단위는 바이트(Byte).

- 논리적 주소보다 크거나, 작거나, 같을 수 있음.

논리적 공간(논리적 주소)

- 프로그래머가 프로그래밍에 사용하는 공간.

- 목적코드(Object Code)가 저장된 공간과 프로그램에서 사용하는 자료 구조 등이 해당됨.

- 논리적 메모리 크기는 각 시스템에서 정의한 워드의 길이에 따라 다름.

동적 적재(Dynamic Loading)
메모리 공간 이용의 효율적 운영을 위해 제안됨.
모든 루틴은 호출될 때까지 메모리 내에 적재되지 않고 재배치 가능한 형태로 디스크에 저장.
주 프로그램은 메모리에 적재되어 수행됨.
주 프로그램(호출 루틴)이 다른 루틴을 호출할 필요가 있을 때, 호출 루틴은 호출될 루틴이 메모리에 적재되어 있는지 조사.
적재되어 있지 않다면, 재배치 가능 연결적재기(로더)는 요구된 루틴을 메모리로 적재하기 위해 호출하면서 프로그램의 주소 테이블을 갱신, 변화를 반영함.

장점
사용하지 않는 루틴을 적재하지 않음.
코드 양이 많이 필요한 경우 유용함.
프로그램 전체 양은 많으나 실제로 사용된 구역은 작으며, 운영체제로부터 특별한 지원을 필요치 않음(동적 연결적재기는 제공되어야 함).

※ 이용하기 위해서는 사용자 자신이 프로그램의 설계를 책임져야 함.

중첩(Overlay)
프로세스의 크기가 실제 메모리 크기로 제한되는 문제점을 해결하기 위해 사용됨.
운영체제 영역과 메모리 공간의 일부 영역에 프로그램(작업) 실행에 반드시 필요한 명령어와 데이터를 저장.
중첩 구동기(오버레이 드라이버) 영역에는 실행기간 동안 필요한 각종 사용자 코드 등을 적재하여 필요한 시기에 해당 프로그램을 불러들여 실행.

[그림 7-4] 중첩 구조.
사용자 프로그램을 초기 모듈, 처리 모듈, 출력 모듈로 구별, 초기 모듈에 적재한 후 실행.
처리 모듈을 실행한 후 출력 모듈을 실행함.

메모리 매핑(Memory Mapping)

논리적 주소와 물리적 주소의 연결.

메모리 관리 장치(MMU, Memory Management Unit)인 하드웨어에서 실행.

메모리 관리 방식에 따라 여러 방식으로 구분됨.

- 고정 분할.

- 동적 분할(가변 분할).

- 페이징(Paging).

- 세그먼트(Segment).

- 페이지화된 세그먼트 방식 등.

대표

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메모리 관리 방식

크게 두 가지 방법으로 구분.

연속 메모리 할당 방식

- 프로그램(프로세스)를 적재하는 과정에서 연속적으로 메모리를 할당.

분산 메모리 할당 방식

- 프로그램을 페이지나 세그먼트 단위로 나누어 여러 곳에 적재하여 할당.

초기 컴퓨터 시스템

연속 메모리 할당 방식 사용.

- 각 프로그램이 연속된 하나의 블록을 차지하도록 할당.

- 직접 배치, 중첩(오버레이), 분할 기법 등이 해당됨.

고정 분할 기법

- 메모리 영역을 여러 개의 고정된 크기로 분할하여 프로세스에 제공하며, 메모리의 낭비(내부 단편화)를 유발함.

동적(가변) 분할 기법

- 각 프로세스의 크기에 따라 메모리를 분할하는 방식으로, 고정 분할 기법의 문제점을 해결하기 위해 제시됨.

- 다중 프로그래밍 기법에 적용하며, 분산 메모리 할당 방식이 제시됨.

분산 메모리 할당 방식

- 사용자의 프로세스가 페이지나 세그먼테이션 등의 단위로 보조기억장치에 적재되어 있다가 프로세스의 요구에 의해 메인 메모리의 여러 영역에 할당되는 방식.

- 현재의 가상 메모리 관리 기법으로 발전됨.

주소 바인딩(Binding)

논리적 주소를 물리적 주소로 변환하는 과정.

프로그램에 있어서의 주소를 절대 주소로 바꾸어 메인 메모리의 고정된 부분에 적재하는 것.

방식에 따라 다음과 같이 단계별로 구분.

컴파일(Compile).

- 프로세스가 메모리 내에 적재될 위치를 컴파일 과정에서 알 수 있다면 컴파일러는 물리적 주소(절대 주소)를 생성할 수 있음.

- 절대 재배치 : 메인 메모리의 실제 주소로 변환되는 과정.

적재시간.

- 정적 재배치

* 프로세스가 메모리 내의 어디에 적재되어야 할 것인가를 컴파일 과정에서 알려주지 않으면 컴파일러는 재배치 가능 상대 주소를 생성함.

* 상대 주소는 프로그램의 시작 주소가 0으로 생성되므로 최종 바인딩은 적재시간까지 연기됨.

* 시작 주소가 변하면 사용자 코드는 변화된 값 반영을 위해 재적재함.

수행시간.

- 프로세스가 실행되는 도중에 메모리의 한 세그먼트에서 다른 세그먼트로 이동 시 바인딩은 수행시간까지 연기됨.

- 현대의 운영체제는 실행시간에 바인딩이 이루어짐.

동적 적재(Dynamic Loading)
메모리 공간 이용의 효율적 운영을 위해 제안됨.
모든 루틴은 호출될 때까지 메모리 내에 적재되지 않고 재배치 가능한 형태로 디스크에 저장.
주 프로그램은 메모리에 적재되어 수행됨.
주 프로그램(호출 루틴)이 다른 루틴을 호출할 필요가 있을 때, 호출 루틴은 호출될 루틴이 메모리에 적재되어 있는지 조사.
적재되어 있지 않다면, 재배치 가능 연결적재기(로더)는 요구된 루틴을 메모리로 적재하기 위해 호출하면서 프로그램의 주소 테이블을 갱신, 변화를 반영함.

장점
사용하지 않는 루틴을 적재하지 않음.
코드 양이 많이 필요한 경우 유용함.
프로그램 전체 양은 많으나 실제로 사용된 구역은 작으며, 운영체제로부터 특별한 지원을 필요치 않음(동적 연결적재기는 제공되어야 함).

※ 이용하기 위해서는 사용자 자신이 프로그램의 설계를 책임져야 함.

중첩(Overlay)
프로세스의 크기가 실제 메모리 크기로 제한되는 문제점을 해결하기 위해 사용됨.
운영체제 영역과 메모리 공간의 일부 영역에 프로그램(작업) 실행에 반드시 필요한 명령어와 데이터를 저장.
중첩 구동기(오버레이 드라이버) 영역에는 실행기간 동안 필요한 각종 사용자 코드 등을 적재하여 필요한 시기에 해당 프로그램을 불러들여 실행.

[그림 7-4] 중첩 구조.
사용자 프로그램을 초기 모듈, 처리 모듈, 출력 모듈로 구별, 초기 모듈에 적재한 후 실행.
처리 모듈을 실행한 후 출력 모듈을 실행함.

[그림 7-5] 2단계 어셈블러를 위한 중첩.

중첩은 프로그래머에 의해 파일들을 메모리로 읽어 들이고, 그 메모리로 분기하여 새로운 읽기 명령을 수행하는 간단한 파일 구조를 사용.
실행함으로써 운영체제는 평상시보다 더 많은 입출력이 있다는 것만을 인식함.
중첩은 현재 마이크로 컴퓨터나 실제 메모리 크기가 제한된 하드웨어에서 사용.
- 중첩을 이용하려면 프로그래머는 중첩 구조를 적절하게 설계, 프로그래밍해야 하므로 프로그램 구조와 코드,  자료 구조를 완전히 이해해야 함.
- 현재 프로그램이 커지는 추세이므로 전체 내용을 충분히 이해하기 어려움.

프로세스 교체
다중 프로그래밍 환경에서 프로세스는 사용자 프로그램이 끝날 때까지 메인 메모리에 저장됨.
순환 할당 알고리즘이나 우선순위에 바탕을 둔 프로세서 알고리즘에서 사용하기 적합하지 않음.
프로세서 할당이 끝나고 수행이 완료된 프로세스는 보조기억장치로 이동, 새롭게 시작되는 프로세스를 불러와야 함.
- 프로세스가 수행되기 위해 메모리 내에 위치해야 하므로, 일시적으로 보조기억장치로 이동 후 다시  메모리에 적재해야 함.
[그림 7-6] 프로세스 교체 예.
순환 할당 프로세서 스케줄링 알고리즘을 가진 다중 프로그래밍 환경.
프로세서에 할당된 시간이 지나면, 메모리 관리 장치가 방금 끝난 프로세스(P1)를 보조기억장치로 이동, 다른 프로세스(P2)를 사용가능 공간 안으로 이동시킴.

[그림 7-7] 프로세스 처리 상태.
교체 실행 스케줄러는 디스크(스왑 준비)에 저장된 작업(프로세스)을 메인 메모리로 이동.
메인 메모리로 이동한 작업은 준비 큐에서 실행을 대기, 실행 도중 교체 대상이 되면 대기 상태.
실행 조건이 만족되면 준비 큐로 이동 또는 디스크로 이동함(스왑 아웃).
스왑 대기 상태의 작업은 실행 조건 만족 시 스왑 준비 상태로 변경.

롤인(Roll-In), 롤 아웃(Roll-Out).
더 높은 우선순위를 가진 프로세스 도착 시 메모리 관리 장치는 우선순위가 높은 프로세스를 수행하기 위해 낮은 우선순위의 프로세스와 스왑(교체) 가능.
높은 우선순위의 프로세스가 끝나면, 낮은 우선순위의 프로세스는 다시 스왑되어 계속 수행됨.

스왑 과정.
주소 바인딩 방법에 따라 다름.
바인딩이 어셈블 시간이나 적재시간에 이루어지면 프로세스는 다른 위치로 이동 불가.
수행시간에 바인딩이 이루어지면 교체 가능.
교체 시간.
속도가 빠른 보조기억장치가 필요하며, 문맥교환시간이 중요함.
사용자 프로세스가 100KB이고, 보조기억장치는 초당 1MB의 전송률을 가진 디스크를 가정.
보조기억장치에서 실제 전송은 아래와 같은 시간이 소요됨.

회전 지연 시간을 평균 8ms로 가정했을 때 교체시간은 108ms임.
스왑 아웃(Swap-Out)과 스왑 인(Swap-In) 모두 이루어져야 하므로 총 교체시간은 216ms.
효과적인 프로세서 사용을 위해 각 프로세스에 대한 수행시간이 교체시간보다 길어야 함.
전체 전송시간은 직접적으로 교환되는 메모리 양에 비례함.
메인 메모리가 1MB이고 100KB의 상주 운영체제를 가진 컴퓨터가 있다 가정.
- 사용자 프로세스의 최대 크기는 900KB.
- 대부분 사용자 프로세스는 다수의 프로세스를 가지므로 100KB보다 작음.
- 프로세스 크기가 900KB이면 교체 시 908ms 소요, 100KB 크기의 프로세스일 경우 9번에 걸쳐 교환되므로  972ms 소요됨.

프로세스 교체 시 교체시간 감소를 위한 방법 필요.
시스템에 메모리 요청에 대한 정보 변화를 유지.
- 동적인 메모리 요청을 가진 프로세스는 변화하는 메모리 요구를 운영체제에 제공할 수 있는 시스템 호출 (메모리 요청, 메모리 해제)이 필요함.
실제 사용되는 프로세스를 교체하려면 완전히 유휴상태에 있음을 확인해야 함.
어떤 입출력에 대한 대기(입출력 완료를 기다리는 상태)는 중요함.
프로세스가 입출력 동작을 위해 기다리면 메모리를 회수하도록 교체 가능
입출력 버퍼가 사용자 메모리를 비동기적으로 액세스하면 프로세스 교체 불가.
두 가지 문제의 해결 방법.
대기입출력을 가진 프로세스는 교체를 수행하지 않고, 입출력 동작이 있는 운영체제의 버퍼 내에서만 교체를 수행해야 함.
운영체제와 프로세스 메모리 사이의 전송은 프로세스가 교체되어 들어올 때만 이루어져야 함.

※ 교체 작업은 초기 시분할 시스템에서 채택되었으며, 현재 페이지 시스템으로 발전함.