메모리

본 포스팅은 '면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성되었습니다.

 

메모리 계층

• 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성
• CPU는 그저 메모리에 올라와있는 명령어를 실행할뿐
• 계층 위로 올라갈 수록 가격은 비싸지고 용량은 작아지며 속도는 빨라진다.

• 레지스터: CPU안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 용량이 가장 적음
• 캐시: L1, L2 캐시를 지칭. 휘발성, 속도 빠름, 용량 적다.
• 주기억장치: RAM을 가리킴. 휘발성, 속도 보통, 용량 보통
• 보조기억장치: HDD, SSD 비휘발성, 속도 낮음, 용량 많음

캐시(Cache)

• 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소
• 빠른 장치와 느린 장치에서의 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리

지역성의 원리

• 캐시를 직접 설정할 경우 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 함.
• 자주 사용하는 데이터에 대한 근거 -> 지역성
• 시간 지역성(temporal locality)과 공간 지역성(spatial locality)으로 나뉨.

시간 지역성

• 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성

공간 지역성

• 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성

캐시 히트와 캐시 미스

• 캐시 히트: 캐시에서 원하는 데이터를 찾은 것
• 캐시 미스: 해당 데이터가 없다면 주메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것

캐시 매핑

• 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법
• CPU의 레지스터와 주메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명

웹 브라우저의 캐시

• 미리 저장하면 좋을 정보들을 웹브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰임.

쿠키

• 만료기한이 있는 key-value 저장소

로컬 스토리지

• 만료기한이 없는 key-value 저장소
• 10MB까지 저장 가능.
• 웹 브라우저를 닫아도 유지되며 도메인 단위로 저장, 생성.
• 클라이언트에서만 수정 가

세션 스토리지

• 만료기한이 없는 key-value 저장소
• 탭 단위로 세션 스토리지 생성
• 탭을 닫을 때 해당 데이터 삭제
• 5MB까지 저장가능, 클라이언트에서만 수정가능

DB의 캐싱계층

• DB 시스템 구축할 때도 메인 DB위에 레디스 DB계층을 캐싱 계층으로 두어 성능을 향상시키기도 한다.

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메모리 관리

가상 메모리(virtual memory)

• 메모리 관리 기법 중 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는  것

• 이 때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address)라고 함
• 실제 메모리 상에 잇는 주소를 실제 주소(physical address)라고 함
• 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 된다.
• 페이지 테이블: 가상 주소와 실제 주소가 매핑 되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 것

스와핑(swapping)

• 만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리 RAM에 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트 발생
• 이 때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것

페이지 폴트( Page fault)

• 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생.

페이지 폴트와 스와핑의 과정

1. CPU는 물리 메모리 확인 후 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생시켜 OS에게 알림
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춤
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어있는 프레임이 있는지 찾음. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블 최신화
5. 중단되어있던 CPU 다시 시작

페이지

• 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

프레임

• 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

스레싱(thrashing)

• 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미
• 이는 컴퓨터에 심각한 성능 저하 초래

• 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생
• 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아짐
• CPU 이용률이 낮아지면 운영체제는 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올림
• 이같은 악순환이 일어나며 스레싱이 일어남
• 운영체제에서 해결할 수 있는 방법은 작업 세트와 PFF

작업 세트(working set)

• 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)를 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것
• 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있습니다.

PFF(Page Fault Frequency)

• 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법
• 상한선에 도달하면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄임.

메모리 할당

• 메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당
• 연속 할당, 불연속 할당으로 나뉨.

연속 할당

• 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말함.
• 이는 다시 고정 분할 방식과 가변 분할 방식으로 나뉨.

고정 분할 방식(fixed partition allocation)

• 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식
• 내부 단편화 발생

가변 분할 방식(variable partition allocation)

• 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용.
• 내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화 발생ㄱ ㅏ능
• first fit, best fit, worst fit 이 있다.

 

불연속 할당

• 메모리를 연속적으로 할당하지 않음
• 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 페이징 기법이 있다.
• 메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당.
• 페이징 기법 외에도 segmentation, paged segmentation의 방법 존재

페이징(paging)

• 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당
• 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소변환이 복잡해짐

세그멘테이션(segmentation)

• 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트(segment)로 나누는 방식
• 프로세스를 이루는 메모리는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 이루어짐
• 코드와 데이터를 나누거나 코드 내의 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나눌 수도 있다.
• 공유, 보안 측면에서 장점을 가지지만 홀 크기가 균일하지 않은 단점이 있다.

페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)

• 프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나누고 동일 한 크기의 페이지 단위로 나누는 것.

페이지 교체 알고리즘

• 스와핑이 일어나면 효율적이지 못하기 때문에 스와핑이 최소가 되는 방향으로 설계되어야 함.

offline algorithm

• 가장 이상적인 알고리즘
• 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당 페이지를 바꾸는 알고리즘
• but, 미래를 예측할 순 없다.

FIFO(First In First Out)

• 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법

LRU(Least Recently Used)

• 참조가 가장 오래된 페이지를 바꿈
• 오래된 페이지를 파악하기 위해 페이지마다 계수기, 스택을 두어야하는 문제

 

NUR(Not Used Recently)

• 일명 clock algorithm
• 0(참조 되지 않음)과 1(최근에 참조되었음)을 가진 비트를 둠.
• 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스 교체, 1로 바꿈.

LFU(Least Frequetly Used)

• 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체
• 많이 사용되지 않은 것을 교체