[운영체제와 정보기술의 원리] 7장 메모리 관리

1. 주소 바인딩

• 논리적 주소(가상 주소): 프로그램의 실행을 위해 메모리에 적재되면 그 프로세스를 위한 독자적인 주소 공간
• 물리적 주소: 물리적 메모리에 실제로 올라가는 위치. 보통 물리적 메모리의 낮은 주소 영역에는 운영체제가 올라가고, 높은 주소 영역에는 사용자 프로세스들이 올라간다

주소바인딩: 프로세스의 논리적 주소를 물리적 메모리 주소로 연결시켜 주는 작업

• 컴파일 타임 바인딩
  • 컴파일을 하는 시점에 해당 프로그램이 물리적 메모리의 몇 번지에 위치할 것인지를 결정한다
  • 절대코드를 생성하는 바인딩 방식이라고도 함
  • 지금은 잘 사용하지 않음
• 로드 타임 바인딩
  • 프로그램의 실행이 시작될 때에 물리적 메모리 주소가 결정되는 주소 바인딩 방식.
  • 로더, 사용자 프로그램을 메모리에 적재시키는 프로그램의 책임하에 물리적 메로리 주소가 부여되며 프로그램이 종료될 때까지 물리적 메모리상의 위치가 고정된다.
  • 컴파일러가 재배치 가능 코드(relocatable code)를 생성한 경우에 가능한 주소 바인딩 방식이다
• 실행 시간 바인딩
  • 프로그램이 실행을 시작한 후에도 그 프로그램이 위치한 물리적 메모리상의 주소가 변경될 수 있는 바인딩 방식
  • 기준 레지스터와 한계 레지스터를 포함에 MMU(Memory Management Unit)이라는 하드웨어적인 지원이 필요하다

MMU 기법 (MMU scheme)

• MMU는 특정 프로세스의 논리적 주소값에 기준 레지스터의 값을 더해 물리적 주소값을 얻어낸다
• 이때 기준 레지스터(base register)는 재배치 레지스터(relocation register)라고도 부르며 그 프로세스의 물리적 메모리 시작 주소를 가지고 있다
• MMU 기법에서는 프로그램의 주소 공간이 물리적 메모리의 한 장소에 연속적으로 적재되는 것으로 가정한다
• 메모리 보안을 운영체제는 한계 레지스터(limit register)를 사용한다.
• 한계 레지스터는 현재 CPU에서 수행 중인 프로세스의 논리적 주소의 최댓값, 즉 그 프로세스의 크기를 담고 있다
• 논리적 주소값 > 한계 레지스터 -> 트랩 발생 (해당 프로세스를 강제종료 시킴)

 

2. 메모리 관리와 관련된 용어

동적로딩(dynamic loading)

• 여러 프로그램이 동시에 메모리에 올라가서 수행되는 다중 프로그래밍 환경에서 메모리 사용의 효율성을 높이기 위해 사용하는 기법 중 하나
• 프로세스 내에서 실행에 필요한 부분이 실제로 불릴 때마다 메모리에 적재하는 방식
• 사용되지 않을 많은 양의 코드가 메모리에 올라가는 것을 막음으로써 메모리를 효율적으로 사용할 수 있다. 
• 운영체제의 지원이 필요 없이 프로그램 자체에서 구현 가능

동적연결(dynamic linking)

• 컴파일을 통해 생성된 목적 파일과 라이브러리 파일 사이의 연결을 프로그램의 실행 시점까지 지연시키는 기법
• 라이브러리가 실행 시점에 연결된다
• 동적연결을 가능하게 하기 위해 실행파일의 라이브러리 호출 부분에 해당 라이브러리의 위치를 찾기 위한 스텁(stub)이라는 작은 코드를 둔다
• 다수의 프로그램이 공통으로 사용하는 라이브러리를 메모리에 한 번만 적재하므로 메모리 사용의 효율성을 높일 수 있다
• 동적연결 기법은 운영체제의 지원을 필요로 한다

중첩(overlays)

• 프로세스의 주소 공간을 분할해 실제 필요한 부분만을 메모리에 적재하는 기법
• 프로그래머가 직접 구현했으며 프로그램의 크기가 물리적 메모리의 크기에 비해 작을 때 주소 공간을 분할해서 당장 필요한 일부분만 메모리에 올려 실행하고 해당 부분에 대한 실행이 끝난 후에 나머지 부분을 올려 실행하는 기법

스와핑(swapping)

• 메모리에 올라온 프로세스의 주소 공간 전체를 디스크의 스왑 영역에 일시적으로 내려놓는 것
• 이때 스왑 영역은 backing store라고도 부르며, 디스크 내에 파일 시스템과는 별도로 존재하는 일정 영역을 말한다
• 다수의 사용자 프로세스를 담을 수 있을 만큼 충분히 큰 저장공간이어야 하고, 어느 정도의 접근 속도가 보장되어야 함
• 스왑 인: 디스크에서 메모리로 올리는 작업
• 스왑 아웃: 메모리에서 디스크로 내리는 작업
• 메모리에 존재하는 프로세스의 수를 조절한다 -> 다중 프로그래밍의 정도를 조절
• 스와핑에서는 보통 디스크내의 스왑 영역에 프로세스의 주소 공간이 순차적으로 저장된다. -> 따라서, 디스크의 탐색 시간(seek time)이나 회전지연시간(rotational latency) 보다는 실제 데이터를 읽고 쓰는 전송 시간(transfer time)이 대부분을 차지한다. 

 

3. 물리적 메모리의 할당 방식

물리적 메모리

• 운영체제 상주 영역과 사용자 프로세스 영역으로 나뉘어 사용된다.
• 운영체제 상주 영역: 인터럽트 벡터와 함께 물리적 메모리의 낮은 주소 영역을 사용 -> 운영체제 커널 위치
• 사용자 프로세스 영역: 물리적 메모리의 높은 주소 영역을 사용

사용자 프로세스 영역의 관리 방법

1) 연속할당(contiguous allocation) 

• 각각의 프로세스를 물리적 메모리의 연속적인 공간에 올리는 방식
• 고정분할(fixed partition allocation): 물리적 메모리의 주어진 개수만큼의 영구적인 분할(partition)로 미리 나누어두고 각 분할에 하나의 프로세스를 적재해 실행시킬 수 있게 함
• 가변분할(variable partition allocation): 메모리에 적재되는 프로그램의 크기에 따라 분할의 크기, 개수가 동적으로 변하는 방식 

2) 불연속할당(noncontiguous allocation)

• 하나의 프로세스를 물리적 메모리의 여러 영역에 분산해 적재하는 방식
• 페이징 기법 : 하나의 프로그램을 분할하는 기준에 따라 동일한 크기로 나누어 메모리에 올리는 방법
• 세그멘테이션 기법: 크기는 일정하지 않지만 의미 단위로 나누어 메모리에 올리는 방법
• 페이지드 세그멘테이션: 세그멘테이션을 기본으로 하지만 이를 다시 동일 크기의 페이지로 나누어 메모리에 올리는 방법

 

4. 페이징 기법

페이징 기법이란?

• 프로세스의 주소 공간을 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 물리적 메모리의 서로 다른 위치에 페이지들을 저장하는 방식을 말한다
• 페이징 기법에서는 모든 프로세스가 각각의 주소 변환을 위한 페이지 테이블을 가지며, 이 테이블은 프로세스가 가질 수 있는 페이지의 개수만큼 주소 변환 엔트리를 가지고 있다

1) 주소 변환 기법

• CPU가 사용하는 논리적 주소를 페이지 번호(p)와 페이지 오프셋(d)으로 나누어 주소 변환(address translation)에 사용한다
• 페이지 번호는 인덱스로 사용되고, 해당 인덱스의 항목(entry)에는 그 페이지의 물리적 메모리상의 기준 주소(base address), 즉 시작 위치가 저장된다.

2) 페이지 테이블의 구현

• 페이지 테이블은 페이징 기법에서 주소 변환을 하기 위한 자료구조로 물리적 메모리에 위치한다
• 운영체제는 현재 CPU에서 실행 중인 프로세스의 페이지 테이블에 접근하기 위해 페이지 테이블 기준 레지스터와 페이지 테이블 길이 레지스터를 사용한다.
• TLB(Translation Look-aside Buffer): 페이지 테이블 접근 오버헤드를 줄이고 메모리의 접근 속도를 향상시키는 고속의 주소 변환용 하드웨어 캐시

3) 계층적 페이징

• 2단계 페이징(two-level paging) 기법
  • 페이지 테이블에 사용되는 메모리 공간의 낭비를 줄인다
  • 주소 변환을 위해 1. 외부 페이지 테이블(outer page table)과 2. 내부 페이지 테이블(inner page table)을 사용한다.
  • 대신 페이지 테이블을 위해 사용되는 메모리 공간의 소모는 줄일 수 있지만 메모리에 대한 접근 횟수가 많아져서 메모리 접근시간이 늘어난다. -> 해결책은 TLB 사용

4) 역페이지 테이블(inverted paging table)

• 물리적 메모리의 페이지 프레임 하나당 페이지 테이블에 하나씩의 항목을 두는 방식이다
• 즉, 논리적 주소에 대해 페이지를 만드는 것이 아니라 물리적 주소에 대해 페이지 테이블을 만드는 것
• 시스템 전체에 페이지 테이블을 하나만 두는 방법

5) 공유 페이지

• 공유 코드(shared code) = 재진입 가능 코드(re-entrant code) = 순수 코드(pure code)
  • 메모리 공간의 효율적인 사용을 위해 여러 프로세스에 의해 공통으로 사용될 수 있도록 작성된 코드
  • 읽기 전용 특성을 가진다
• 공유 페이지(shared page) 
  • 공유코드를 담고 있는 페이지
  • 여러 프로세스에 의해 공유되는 페이지이므로 물리적 메모리에 하나만 적재되어 메모리를 좀 더 효율적으로 사용할 수 있게 한다

6) 메모리 보호

• 페이지 테이블의 각 항목에는 주소 변환 정보뿐 아니라 메모리 보호를 위한 보호비트(protection bit)와 유효-무효 비트(valid-invalid bit)를 두고 있다
• 보호비트: 각 페이지에 대한 접근 권한(어떠한 접근을 허용하는지)의 내용을 담고 있다. 
• 유효-무효 비트: 유효일 경우 해당 메모리 프레임에 그 페이지가 존재하고 접근이 허용되며, 무효일 경우 프로세스가 그 주소 부분을 사용하지 않거나, 해당 페이지가 물리적 메모리에 올라와 있지 않고 백킹 스토어에 존재해 해당 메모리 프레임에 유효한 접근 권한이 없다는 것을 의미한다

5. 세그먼테이션

프로세스의 주소 공간을 의미 단위의 세그먼트로 나누어 물리적 메모리에 올리는 세그먼테이션 기법

• 세그먼트는 주소 공간을 기능 단위 또는 의미 단위로 나눈 것 (예: 코드, 데이터, 스택)
• 세그먼테이션 기법은 논리적 주소를 물리적 주소로 변환하기 전에 2가지를 확인한다.
  • 1. 요청된 세그먼트 번호가 STLR(Segment-Table Length Register)에 저장된 값보다 작은 값인가?
  • 2. 논리적 주소의 오프셋값이 그 세그먼트의 길이(STLR보다 작은 값인가? (한계점과 오프셋값 비교)
• 세그먼트 테이블의 각 항복에 보호비트와 유효-무효 비트를 둔다
• 세그먼트는 의미 단위로 나누어져 있어 공유와 보안의 측면에서 페이징 기법에 비해 효과적이다

6. 페이지드 세그먼테이션

페이징 기법과 세그먼테이션 기법의 장점만을 취하는 주소 변환 기법

• 프로그램을 의미 단위의 세그먼트로 나누지만 임의의 길이가 아니라 동일한 크기 페이지들의 집합으로 구성된다
• 주소 변환을 위해 외부의 세그먼트 테이블과 내부의 페이지 테이블을 이용한다