[운영체제 3기] 5주차 스터디 정리

🔹절대 주소 지정 vs 상대 주소 지정

절대 주소

• 파일 또는 디렉토리의 전체 경로를 나타냄
• 메모리 특정 위치를 직접 참조하는 방식
• 명령어 실행 위치와 무관하게 항상 동일한 메모리 위치 가리킴
• "C:\Users\Username\Documents\file.txt"는 Windows 운영체제에서 파일 "file.txt"에 대한 절대 주소
  
  장점: 작성 중인 파일 위치가 변경되어도 영향받지 않음
  단점: 전체 주소를 작성해야하므로 번거로움

상대 주소

• 현재 명령어 위치를 기준으로 메모리 위치를 참조하는 방식
• 명령어 실행 위치에 따라 참조하는 메모리 위치가 달라짐
  
  장점: 프로그램이 메모리의 어느 위치로든 이동 가능, 비교적 간결히 작성 가능
  단점: 참조하는 위치가 명렁어 위치에 상대적이기 때문에 파일 위치 변경 시 지정한 주소의 수정 필요

🔹내부 단편화(Internal Fragmentation)

내부 단편화

내부 단편화란 할당된 메모리 공간에 비해 프로세스가 사용하는 메모리가 적어서 빈 공간이 발생하는 현상을 말한다.

빈 공간은 다른 프로세스에 의해 사용될 수 없어 그대로 사용되지 않은 채 남겨진다.

🔹외부 단편화(External Fragmentation)

외부 단편화

외부 단편화란 메모리 안에 프로세스가 사용할 수 있는 충분한 크기의 메모리가 존재하나, 그 남은 메모리의 공간들이 비연속적으로 존재하여 프로세스를 적재할 수 없는 현상을 말한다.

🔹메모리 관리(Memory Management)

메모리 관리는 프로세스들을 위해 메모리를 할당, 회수, 보호하는 활동이다.

메모리 관리자는 메모리와 관련된 여러 관리 정책을 수립하여 이에 따라 메모리를 관리해야 한다.

메모리 관리 기법 종류는 다음과 같다.

 

▪️ 반입 기법(When)

: 프로세스를 디스크에서 메모리로 반입할 시기를 결정한다.

 

▪️ 배치 기법(Where)

: 디스크에서 반입한 프로세스를 메모리 어느 위치에 저장할 것인지 결정한다.

 

▪️ 할당 기법(How)

: 실행해야 할 프로세스를 메모리에 어떤 방법으로 할당할 것인지 결정한다.

 

▪️ 교체 기법(Who)

: 메모리가 충분하지 않을 경우 현재 메모리에 적재된 프로세스 중 어떤 프로세스를 제거할 것인지 결정한다.

🔹반입 기법

반입 기법에는 다음 두 가지 기법이 있다.

요구 반입	실행 중인 프로그램이 특정 프로그램이나 데이터 등의 참조를 요구할 때 적재하는 방법 즉, 메모리에 올라가야할 때 요청하는 방식
예상 반입	실행 중인 프로그램에 의해 참조될 프로그램이나 데이터 등을 미리 예상하여 적재하는 방법 즉, 참조 가능성이 높은 프로그램을 메모리에 미리 올리는 방식

🔹메모리 배치 기법

메모리 배치 기법에는 최초 적합, 최적 적합, 최악 적합이 있다.

최초 적합 (First-Fit)	- 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중 첫 번째 분할 영역에 배치시키는 방법 - 다른 배치 방법에 비해 빠름 - 메모리 공간 활용도 저하될 가능성 있음
최적 적합 (Best-Fit)	- 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중 단편화를 가장 적게 남기는 분할 영역에 배치시키는 방법 - 메모리 단편화가 가장 작으나, 그만큼의 탐색 비용 발생
최악 적합 (Worst-Fit)	- 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중 단편화를 가장 많이 남기는 분할 영역에 배치시키는 방법 - 최적 적합(Best-Fit)과 동일하게 탐색 비용 발생

🔹메모리 할당 기법

메모리 할당 기법 분류

🔹연속 할당 기법(Contiguous Memory Allocation)

: 각 프로세스의 구성요소가 메모리에 연속된 주소로 저장되는 방식

 

▪️ 오버레이(Overlay) - 단일 프로그래밍

: 보조기억장치에 저장된 하나의 프로그램을 여러 개의 작은 조각(모듈 단위)으로 분할한 후 필요한 조각을 차례대로 주기억장치에 할당하는 방식

: 주로 메모리가 제한적인 환경에서 보통 큰 프로그램을 실행할 때 사용

 

오버레이 과정

오버레이 과정

1. 보조기억장치에 저장된 하나의 프로그램을 여러 조각으로 분할
   • 프로그램을 분할하는 작업은 프로그래머가 수행해야 하므로 시스템이나 프로그램 구조에 대해 알아야 함
2. 작업이 필요한 조각들을 주기억장치에 적재
3. 실행 중에 주기억장치가 꽉 찬 경우 필요 없는 조각 위에 새로운 조각으로 중첩하여 교체(오버레이 전환, Overlay Swapping)

오버레이 장점

• 제한된 메모리 공간에서 큰 프로그램을 실행할 수 있음
• 오버레이 전환을 통해 메모리 사용량 최적화 (자원 낭비 최소화)

오버레이 단점

• 오버레이 전환에 대한 Overhead ↑
• 오버레이 전환 과정에서 성능 저하 발생 (시스템 처리 속도나 응답 시간 등)

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▪️ 스와핑(Swapping) - 단일 프로그래밍

: 하나의 프로그램 전체를 주기억장치에 할당하여 필요에 따라 다른 프로그램과 교체하는 방법

: 즉, 프로그램을 분할하는 것이 아닌 프로그램 단위로 교체

 

스와핑 과정

스와핑 과정

1. 메모리 부족 현상 발생
2. 어떤 프로세스를 스와핑하여 보조기억장치로 옮길지 결정
3. Swap-Out: 주기억장치 → 보조기억장치
4. Swap-In: 보조기억장치 → 주기억장치
5. 프로세스 재개: 스와핑된 프로세스가 모두 메모리로 로드되면 해당 프로세스 다시 실행

스와핑 장점

• 프로세스를 보조기억장치로 Swap-Out 함으로써 메모리를 효율적으로 활용 가능
• 제한된 메모리 공간에서 다수의 프로세스 실행 가능

스와핑 단점

• 하나의 프로그램만 올라갈 수 있음 → 개선: 다중 분할 할당 기법(다중 프로그래밍 기법)
• 스와핑에 따른 Overhead 발생
• 스와핑이 빈번하게 발생할 경우 프로세스 실행 속도 저하

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▪️ 고정 분할(Fixed Partitioning) - 다중 프로그래밍

: 시스템 생성 시 주기억장치가 이미 특정 크기로 고정된 파티션들로 영구적인 분할을 하고 각 분할에 하나의 프로세스를 적재하는 방식

 

고정 분할 종류

- 균등 분할: 모든 파티션의 크기가 일정함

1. 프로그램의 크기가 파티션의 크기보다 클 수 있음
   - 해결 방법) 오버레이(Overlay), 스와핑(Swapping)
2. 내부 단편화 문제 발생
   - 매우 작은 크기의 프로세스라도 전체 파티션을 차지하기 때문

- 비균등 분할: 모든 파티션의 크기가 일정하지 않음

 

고정 분할 장점

• 구현이 간단
• 운영체제 Overhead가 거의 없음 (시스템 생성 시 주기억장치가 미리 분할됨)

고정 분할 단점

• 파티션 수에 따라 최대 활성화되는 프로세스 수가 제한됨
• 수행 가능한 프로세스 최대 크기 고정 → 내부 및 외부 단편화 문제 발생
• 내부 단편화 문제 발생: 작은 프로세스 적재 시 파티션의 빈 공간 낭비
• 외부 단편화 문제 발생: 해당 프로세스 메모리에 대하여 전체 메모리 공간은 충분하나, 해당 프로세스를 적재할 수 있는 파티션이 없음

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▪️ 가변 분할(Variable Partitioning) - 다중 프로그래밍

: 프로세스가 주기억장치로 적재될 때 정확히 필요한 크기만큼 메모리를 할당하는 방식

 

가변 분할 장점

• 내부 단편화 문제 발생하지 않음 (프로세스의 크기에 딱 맞게 메모리 공간을 사용하기 때문)

가변 분할 단점

• 외부 단편화 문제 발생
  - 메모리 할당 및 해제로 인해 메모리 공간이 조각나고, 이 조각난 작은 공간들의 크기보다 메모리 크기가 큰 새로운 프로세스가 들어왔을 때 크기가 맞지 않아 사용되지 못하는 경우
  - 메모리 통합(Coalescing) 또는 메모리 압축(Compaction) 기법을 통해 해결 가능

🔹불연속/분산 할당 기법(Non-contiguous Memory Allocation)

: 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 할당될 수 있는 방식

: 주로 가상메모리에서 사용

 

▪️ 페이징(Paging) - 고정 분할

: 페이징은 가상 메모리(logical, 가상 주소 공간)를 고정 크기의 블록인 '페이지' 단위로 나누고, 물리 메모리(physical, 실제 기억 공간)를 페이지와 같은 크기의 프레임으로 나누어 메모리를 관리하는 것을 말한다.

페이징(Paging)

• 페이지(Page): 가상 메모리를 일정한 크기로 나눈 블록
• 프레임(Frame): 물리 메모리를 일정한 크기로 나눈 블록
• 페이지 테이블(Page Table): 프로세스의 페이지 번호와 물리 메모리(frame)의 시작 주소(offset)의 쌍으로 이루어짐

위 그림과 같이 물리 주소 공간이 연속적일 필요는 없다. (분산 할당 기법 특징)

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▪️ 세그멘테이션(Segmentation) - 가변 분할

: 세그멘테이션은 가상 주소 공간을 논리적인 단위인 세그먼트로 나누어 관리한다.

각 세그먼트는 논리적인 의미를 가진 프로그램의 부분을 나타내며 서로 다른 크기를 가질 수 있다.

세그멘테이션(Segmentation)

• 세그멘테이션 테이블(Segmentation Table): 세그멘테이션 크기(limit)와 물리 메모리의 시작 주소(address, offset)로 구성

세그멘테이션 기법도 마찬가지로 물리 주소 공간이 연속적일 필요는 없다. (분산 할당 기법 특징)

🔹외부 단편화 해결 방법

▪️ 메모리 통합 (Coalescing)

: 인접한 단편화 영역을 찾아내어 하나로 통합하는 기법

: 프로그램 재배치 필요 X

메모리 통합(Coalescing)

▪️ 메모리 압축 (Compaction)

: 메모리의 모든 단편화 영역을 하나로 압축하는 기법

: 프로그램 재배치 필요 O

메모리 압축(Compaction)

▪️ 버디 시스템 / 버디 메모리 할당 (Buddy System/Buddy Memory Allocation)

: 요청한 프로세스 크기에 가장 알맞은 크기를 할당하기 위해 메모리를 2^n의 크기로 분할하여 메모리를 할당하는 기법

버디 시스템(Buddy System)

• 메모리를 1/2로 계속 분할하여 요청한 메모리보다 큰 메모리를 할당한다.
• 만약, 31KB를 요청했을 때, 256KB를 3번 분할하여 32KB를 할당한다.
• 31KB의 메모리를 회수할 경우, 인접한 32KB와 합치고 다시 64KB, 128KB를 합쳐 원래의 256KB로 만든다.

🔹가상 메모리(Virtual Memory)

가상 메모리(Virtual Memory)란 컴퓨터 시스템에서 사용하는 메모리 관리 기법 중 하나로, 프로그램에게 실제 메모리 용량을 초과하는 메모리를 사용하는 것처럼 느끼게 해주는 기술이다. 이 개념은 물리적 메모리와 보조 저장 장치(e.g, SSD, 하드 드라이브 등)를 함께 사용하여 시스템이 더 많은 메모리를 가진 것처럼 작동하도록 도와준다.

가상 메모리는 페이징(Paging)과 세그멘테이션(Segmentation) 같은 기법을 사용하여 구현된다.

🔹가상 주소와 물리 주소

가상 주소(Virtual Address)와 물리 주소(Physical Address)는 컴퓨터 시스템에서 메모리 주소를 참조하는 두 가지 방식이다. 이 두 주소 체계는 가상 메모리 시스템에서 특히 중요한 역할을 한다.

 

▪️ 가상 주소(Virtual Address)

: 물리적 메모리 크기와는 독립적이며 프로세스가 메모리 접근 시 사용하는 주소이다.

: 프로그램 실행 시, 운영체제는 각 프로세스에게 독립된 가상 주소 공간을 제공한다.

: 가상 주소 공간은 '페이지'라고 불리는 블록으로 나뉜다.

 

▪️ 물리 주소(Physical Address)

: 실제 메모리 하드웨어(RAM)에 존재하는 주소이다.

 

▪️ 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 과정 (페이징 기법)

: 운영체제 메모리 관리 단위는 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 과정을 통해 실제 메모리에 접근한다.

페이징 기법에서의 주소 변환

1. 가상 주소 생성

• 프로세스가 메모리 접근을 위해 생성한 주소를 가상주소라고 함

2. 페이지 번호 추출

• 가상 주소에서 페이지 번호 추출
• 페이지 번호는 페이지 테이블에서 매핑 정보를 찾는 데 사용

3. 페이지 테이블 조회

• 페이지 번호를 사용해 페이지 테이블 조회
• 페이지 테이블은 가상 주소 공간에서 물리 주소 공간으로의 매핑 정보를 가지고 있음

4. 페이지 오프셋 추출

• 가상 주소에서 페이지 오프셋 추출
• 페이지 오프셋은 페이지 처음 위치에서 해당 주소까지의 거리를 나타냄
• 페이지 오프셋은 물리 메모리 내에서의 실제 주소 계산에 사용됨

5. 물리 주소 계산

• 페이지 테이블에서 조회한 프레임 번호와 페이지 오프셋을 결합하여 물리 주소 계산

6. 메모리 접근

• 계산된 물리 주소를 사용해 메모리에 접근하고 데이터를 읽거나 쓰는 작업을 수행

▪️ TLB(Translation Lookaside Buffer)

: 가상 주소와 해당하는 물리 주소 사이의 매핑 정보를 임시로 저장하는 작은 고속 캐시

TLB 사용 이유

: 가상 메모리 시스템에서 가상 주소를 물리 주소로 변환할 때 페이지 테이블을 통해 이루어지는데, 이때 접근하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있다. 따라서 이러한 느린 접근 시간을 줄이기 위해 TLB가 사용된다.

TLB 사용 원리

: TLB는 가상 주소를 입력 받아 물리 주소를 출력으로 반환한다.

: 만약 TLB에 가상 주소의 매핑 정보가 존재하지 않을 경우, 이 정보를 페이지 테이블에서 가져와 TLB에 저장한다.

TLB 장점

: 가상 주소와 물리 주소 간의 변환 속도를 높임

: 가상 메모리 시스템 성능 향상

TLB 단점

: TLB 크기가 제한적이기 때문에 매핑 정보가 TLB에 캐시될 수 있는 한계가 있음 (TLB miss)

: TLB miss가 발생하면 페이지 테이블에 직접 접근하여 매핑 정보를 찾아와야하므로 추가 지연 발생 가능

🔹페이지 교체 기법

페이지 교체 기법이란 주기억장치에 있는 프로세스 중 어떤 프로세스를 제거할 것인지를 결정하는 기법이다.

 

*. 페이지 부재(Page fault): 주기억장치에 적재된 페이지 중 사용 페이지가 없을 때를 의미한다.

페이지 부재가 발생하게 되면, 원하는 페이지를 보조기억장치에서 가져와 적재해야 하는데 주기억장치가 꽉 차서 페이지를 적재할 공간이 부족하다면 주기억장치에 존재하는 페이지와 원하는 페이지를 교체해야한다.

이때 페이지 부재를 최소화하기 위해 요구 페이징(Demand Paging)이라는 전략을 수행한다.

 

요구 페이징 수행 과정

1. 프로그램 실행 및 페이지 테이블 초기화

• 페이지 테이블의 각 항목은 해당 페이지가 메모리에 존재하는지, 존재한다면 어디에 있는지를 나타내는 정보를 포함
• 페이지 테이블에 있는 페이지는 실제로 메모리에 로드되지 않은 상태

2. 페이지 요청

• 프로세스가 특정 페이지에 접근하려고 할 때, 먼저 페이지 테이블을 참조하여 해당 페이지가 메모리에 있는지 확인
• 페이지가 메모리에 있다면 프로세스는 그 페이지에 접근하여 작업 수행

3. 페이지 부재

• 만약 요청한 페이지가 메모리에 없다면 페이지 부재 발생
• 이때 운영체제는 해당 페이지를 디스크에서 찾아 메모리로 로드
• 페이지 로드 후 페이지 테이블을 업데이트하여 해당 페이지 위치를 표시

4. 페이지 교체

• 만약 메모리가 가득차서 새로운 페이지를 로드할 수 없을 경우, 운영체제는 페이지 교체 알고리즘을 사용해 메모리에서 제거할 페이지를 선택
• 선택된 페이지는 디스크로 이동되고 그 자리에 새로운 페이지가 로드됨. 이후 페이지 테이블 업데이트

이때 4번 페이지 교체 과정에서 페이지 교체 알고리즘이 사용된다.

페이지 교체 기법의 대표적인 알고리즘은 FIFO, LRU, LFU, OPT, NUR, SCR 등이 있다.

🔹FIFO(First-In-First-Out: 선입선출)

FIFO는 가장 먼저 들어온 페이지부터 교체하는 알고리즘이다.

FIFO 예시

장점: 이해하기 쉬워 설계 및 구현이 간단

단점: 오래된 페이지가 무조건 불필요한 페이지가 아닐 수 있기 때문에 오히려 페이지 부재율을 높일 수 있음

🔹LRU(Least Recently Used)

LRU는 사용된 시간을 확인하여 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택하여 교체하는 알고리즘이다.

LRU 예시

단점: 참조할 때마다 시간을 기록해야함(Overhead)

🔹LFU(Least Frequently Used)

LFU는 사용된 횟수를 확인하여 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 선택하여 교체하는 알고리즘이다.

LFU 예시

단점: 최근 적재된 페이지 중 앞으로 참조될 가능성이 높은 페이지가 교체될 가능성이 있음

🔹Clock Algorithm

Clock은 오랫동안 참조되지 않은 페이지를 교체하는 알고리즘이다.

LRU와 비슷하지만 "가장 오래된 페이지 교체"를 보장하지 않는다는 점에서 다르다.

각 페이지들은 참조 비트(Reference Bit)를 가지고 있는데, 이때 페이지들을 순차적으로 가리키는 Pointer(시계바늘)를 사용하여 각 페이지의 참조 비트에 따라 교체될 페이지를 결정한다.

Clock Algorithm

1. 현재 Pointer가 가리키고 있는 페이지의 참조비트(r) 확인2. r = 0 인 경우, 교체 페이지로 결정, 페이지 교체 후 r을 1로 변경3. r = 1 인 경우, r을 0으로 초기화 후 Pointer를 다음으로 이동

Clock Algorithm 예시

개선된 Clock Algorithm == Second Chance Algorithm

- Update bit(m)도 추가로 고려함

- Reference bit(r) = 1 : 최근에 참조된 페이지

- Update bit(m) = 1 : 최근에 변경된 페이지 (I/O를 동반하는 페이지)

- 현재 가리키고 있는 페이지의 (r, m)을 확인

• (0, 0): 교체 페이지로 결정
• (0, 1): (0, 0)으로 변경, write-back (cleaning) list에 추가 후 이동
• (1, 0): (0, 0)으로 변경 후 이동
• (1, 1): (0, 1)으로 변경 후 이동

개선된 Clock Algorithm 예시

🔹쓰레싱(Thrashing) - 문제점

쓰레싱(Thrashing)이란 프로세스의 처리시간보다 페이지 교체 시간이 더 많아져서(Page fault 증가) CPU 이용률이 저하되는 현상을 말한다.

즉, 다중 프로그래밍의 정도가 높을수록 쓰레싱의 발생 빈도는 높아진다.

쓰레싱 해결 방법

- 다중 프로그래밍 정도 ↓

- CPU 이용 ↑

- Working Set 방법 사용

🔹워킹 셋(Working Set) - 쓰레싱 해결 방안 1

워킹 셋(Working Set)이란 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합이라는 뜻으로, 지역성을 기반으로 자주 참조되는 프로세스의 워킹 셋을 메모리에 항상 상주시킴으로써 페이지 부재(Page fault) 현상을 줄이는 것을 말한다.

시간이 지남에 따라 워킹 셋은 변경이 된다.

*. 지역성: 프로세스가 실행되는 동안 주기억장치를 참조할 때 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 특성

🔹페이지 부재 빈도(PFF, Page Fault Frequency) - 쓰레싱 해결 방안 2

페이지 부재 빈도(Page Fault Frequency)란 페이지 부재율의 상한과 하한을 정하여 직접적으로 페이지 부재율을 예측하고 조절하는 기법이다.

- 프로세스의 메모리 접근 패턴, 즉 지역성(Locality)에 대한 정보를 바탕으로 작동한다.

- 페이지 부재율에 따라 페이지 프레임 개수를 조절한다.

- 즉, 페이지 부재율이 시스템이 미리 정해 놓은 상한값(upper bound)을 넘어가거나 하한값(lower bound)이하로 떨어지게 되면 운영체제가 메모리에 올라가 있는 프로세스의 수를 조절한다.

 

장점

- 페이지 부재 발생 시에 실행하기 때문에 부하가 적다.

- 직접적으로 페이지 부재율 조절이 가능하다.

단점

- 프로세스를 중지시키는 과정이 발생하여 프로세스의 실행 시간을 지연시킬 가능성이 있다.

- 페이지 참조가 새로운 지역성으로 이동할 수 있어, 프로세스의 메모리 접근 패턴이 급격하게 변하여 페이지 부재율 예측을 어렵게 만들고, 따라서 메모리 관리의 효율성이 저하될 수 있다.

 

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