⭐CPU는 ‘메모리’에 올라와 있는 프로그램의 명령어들을 실행한다
그렇다면 메모리 계층과 메모리 관리란?
1. 메모리 계층이란?
| 종류 | 휘발성 | 속도 | 기억 용량 | |
| 레지스터 | CPU 안에 있는 작은 메모리 | 가장 빠름 | 가장 빠름 | 가장 적 |
| 캐시 | L1, L2 캐시 (, L3 캐시) | 빠름 | 빠름 | 적음 |
| 주기억장치 | RAM | 보통 | 보통 | 보통 |
| 보조기억장치 | HDD, SSD | 비휘발성 | 낮음 | 많음 |
계층이 올라갈수록 가격, 속도 UP, 용량 DOWN
계층이 있는 이유
경제성(속도가 느린것이 더 저렴함) 과 캐시 때문
RAM
- 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시저장하고 이를 필요시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 함
캐시(cache)
- 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소
- 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리
- ex ) 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 중간에 레지스터 계층(캐싱 계층)을 둬서 속도 차이를 해결
장점
- 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우 해결
- 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약
- ex ) 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층(캐싱 계층)을 둬서 속도 차이를 해결
캐싱 계층
- 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층
- ex) 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치 = 보조기억장치의 캐싱 계층
지역성의 원리
- 지역성 : 자주 사용하는 데이터에 대한 근거
- 예시 : 순환, 서브 프로그램, 스택, 계산예시 : 배열 검색, 순차적 코드의 실행, 근처의 관련 변수
- 시간 지역성(temporal locality): 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성
- 공간 지역성(spatial locality): 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성
- 적중율(Hit rate)을 극대화 시키기 위해 사용하는 원리
캐시히트와 캐시미스
- 캐시히트 : 캐시에서 원하는 데이터를 찾은 것
- 캐시 미스 : 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것
캐시매핑
- 캐시매핑이란 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법
- CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명
- **레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘 해주려면 이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요
| 종류 | 방법 | 특징 |
| 직접 매핑 (directed mapping) |
메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 1:1~10, 2:1~20… 이런 식으로 매핑하는 것 |
처리가빠르지만 충돌 발생이 잦습니다. |
| 연관 매핑 (associative mapping) |
순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑 | 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느립니다. |
| 집합 연관 매핑 (set associative mapping) |
직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것 ex) 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 캐시 1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것 |
순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적입니다. |
웹 브라우저의 캐시
- 소프트웨어적인 대표적인 캐시 : 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지
- 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서
추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰임
| 저장 가능한 데이터 크기 | 만료기한 | 특징 | |
| 쿠키 | 4KB | 클라이언트 또는 서버에서 정할 수 있음 | 쿠키를 설정할 때 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요 |
| 로컬 스토리지 | 10MB | 없음 | HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없음 클라이언트에서만 수정 가능 |
| 세션 스토리지 | 5MB | 없음 | HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없음 클라이언트에서만 수정 가능 |
쿠키
만료기한이 있는 키-값 저장소
same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송
로컬 스토리지
로컬 스토리지는 만료기한이 없는 키-값 저장소
웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성됨
세션 스토리지
세션 스토리지는 만료기한이 없는 키-값 저장소
탭 단위로 세션 스토리지를 생성
탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제
ex ) 데이터베이스의 캐싱 계층
데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터베이스 계층을 ‘캐싱 계층’으로 둬서 성능을 향상시키기도 함
2. 메모리 관리란?
가상 메모리(virtual memory)
- 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것
가상 주소(logical address)
- 가상적으로 주어진 주소
- 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소(physical address)라고 함
- 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 됨
- 가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 ‘페이지 테이블’로 관리됨 (속도 향상을 위해 TLB를 씀)
TLB
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층
TLB의 개념
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시
페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블에까지 가지 않도록 해서 속도를 향상시킴
이 때, TLB hit와 TLB miss가 일어날 수 있음
- TLB hit : 페이지를 TLB에서 발견했을 경우로 해당하는 프레임은 즉시 사용가능해지며 메모리에 접근할 수 있음
- TLB miss : 페이지를 TLB에서 발견하지 못했을 경우로 페이지에 대응하는 페이지 번호를 TLB에 저장해서, 다음에 해당 페이지를 참조할 때 빠르게 메모리에 접근할 수 있도록 함
스와핑(swapping)
메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것
역할
가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근해서 페이지 폴트가 발생하면 스와핑을 통해 마치 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만듦
페이지 폴트(page fault)
- 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생
- 페이지 폴트와 그로 인한 스와핑은 다음 과정으로 이루어집니다.
- CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알림
- 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춤
- 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고,
없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾음
물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동됨 - 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드, 페이지 테이블을 최신화
- 중단되었던 CPU를 다시 시작
스레싱
- 스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것
- 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래
해결하기 위한 방법
- 메모리를 늘리거나, HDD를 사용한다면 HDD를 SSD로 바꾸는 방법
- 운영체제에서 이를 해결할 수 있는 방법 : 작업 세트, PFF
작업 세트(working set)
프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것
미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있음
PFF(Page Fault Frequency)
페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법
만약 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄임
메모리 할당
메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당
- 연속 할당 - 고정 분할 방식
- 가변 분할 방식
- 불연속 할당 - 페이징
- 세그멘테이션(segmentation)
- 페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)
연속 할당
메모리에 ‘연속적으로’ 공간을 할당하는 것
- 고정 분할 방식(fixed partition allocation)
메모리를 미리 나누어 관리하는 방식
메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없음
내부 단편화(internal fragmentation, 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상)가 발생 - 가변 분할 방식(variable partition allocation)
매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용
내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화(external fragmentation, 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상)는 발생할 수 있음
최초적합(first fit), 최적적합(best fit), 최악적합(worst fit)이 있음
| 이름 | 설명 |
| 최초적합(first fit) | 위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당 |
| 최적적합(best fit) | 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당 |
| 최악적합(worst fit) | 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당 |
불연속 할당
메모리를 연속적으로 할당하지 않는 방법
- 페이징(paging)
동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당
홀**의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해짐 - 세그멘테이션(segmentation)
페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식
프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데, 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있음을 의미
공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생 - 페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)
공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것
**홀(hole) :할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간
페이지 교체 알고리즘
메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어남
스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어남
오프라인 알고리즘(offline algorithm)
먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며, 가장 좋은 방법
사용할 수 없는(실존할 수 없는) 알고리즘이지만 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 기준을 제공함
FIFO(First In First Out) 알고리즘
가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법을 의미
LRU(Least Recentle Used) 알고리즘
참조가 가장 오래된 페이지를 바꿈
‘오래된’ 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있음
NUR(Not Used Recently) 알고리즘
clock 알고리즘이라고 하며 먼저 0과 1을 가진 비트를 둠
1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미
시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘
LFU(Least Frequently Used) 알고리즘
가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체
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