[정보처리기사 실기] 메모리 관리(Memory Management)

메모리(기억장치) 관리 전략 ⭐

보조기억장치의 프로그램이나 데이터를 주기억장치에 적재시키는 시기, 적재 위치 등을 지정하여 한정된 주기억장치의 공간을 효율적으로 사용하기 위한 전략

 

주기억장치

= Computer Memory = Primary Memory
컴퓨터 내부에서 현재 CPU가 처리하고 있는 내용을 저장하고 있는 기억장치

• 비교적 용량이 크고 처리속도가 빠름
• CPU의 명령에 의해 기억된 장소에 직접 접근하여 읽고 쓸 수 있다.
• ROM (Read Only Memory) : 비휘발성 메모리. 오직 기억된 데이터를 읽기만 가능한 장치 → 데이터를 한 번 저장하면 수정할 수 없다
• RAM (Random Access Memory) : 휘발성 메모리. 전원 끊어지면 지워지며, 읽고 쓰기가 가능

 

보조기억장치

= Auxiliary Memory = Secondary Memory
물리적 디스크가 연결되어 있는 기억장치

• 주기억장치보다는 느리지만 컴퓨터 전원을 끄더라도 저장된 데이터가 사라지지 않고 영구적으로 보관됨

• HDD (Hard Disk Driver)
  • 물리적인 디스크를 고속으로 회전시켜 데이터를 저장하는 장치
  • 가장 대중적인 보조장치였으나, SSD에 최근 많이 밀렸다.
• SSD (Solid State Driver)
  • 반도체 기반의 정보를 저장하는 기억장치
  • 물리적으로 데이터를 저장하지 않고 전기적으로 데이터를 저장
  • ⇒ HDD에 비해 속도도 월등하고 소음도 발생하지 않음.
  • 단, 아직 HDD보다 가격이 다소 높음

 

메모리 관리 전략

보조기억장치의 프로그램이나 데이터를 주기억장치에 언제, 어디에 적재할지 등을 지정하여 한정된 주기억장치의 공간을 효율적으로 사용하기 위한 것

상황에 따라 반입, 배치, 교체 전략으로 나누어 생각해볼 수 있다.

 

반입(Fetch) 전략

보조기억장치의 프로그램/데이터를 언제 주기억장치로 적재할 것인지 결정

• Demand Fetch (요구 반입) : 실행 중인 프로그램이 특정 프로그램이나 데이터 등의 참조를 요구할 때 적재하는 방법
• Anticipatory Fetch (예상 반입) : 실행 중인 프로그램에 의해 참조될 프로그램이나 데이터를 미리 예상하여 적재하는 방법

 

배치(Placement) 전략

새로 반입되는 프로그램/데이터를 주기억장치의 어디에 위치시킬것인지 결정

• First Fit (최초 적합) : 빈 영역 중 첫 번째 분할 영역에 배치
• Best Fit (최적 적합) : 빈 영역 중 단편화*를 가장 작게 남기는 분할 영역에 배치
• Worst Fit (최악 적합) : 빈 영역 중 단편화를 가장 많이 남기는 분할 영역에 배치

 

교체(Replacement) 전략

주기억장치 모든 영역이 사용중인 상태에서 새로운 프로그램이나 데이터를 배치할 때, 사용중인 영역 중 어느 영역을 교체하여 사용할 것인지 결정

 

페이지 교체 알고리즘

Page Fault(페이지 부재)로 인해 주기억장치에 페이지를 적재할 때, 이미 주기억장치의 모든 페이지 프레임이 사용중이면 어떤 페이지 프레임을 선택하여 교체할 것인지를 결정하는 기법

OPT (OPTimal replacement, 최적 교체)

• 앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체
• 벨레이디(Belady)가 제안
• 페이지 부재 횟수가 가장 적게 발생하는 가장 효율적인 알고리즘

FIFO (First In First Out)

• 가장 먼저 들어와서 가장 오래 있었던 페이지를 교체하는 기법
• 이해하기 쉽고, 프로그래밍 및 설계가 간단함

LRU (Least Recently Used)

• 최근에 가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체
• 각 페이지마다 계수기(Counter)나 스택(Stack)을 두어 현 시점에서 가장 오랫동안 사용하지 않은 즉 가장 오래 전에 사용한 페이지 교체

LFU (Least Frequently Used)

• 사용 빈도가 가장 적은 페이지를 교체
• 활발하게 사용되는 페이지는 사용 횟수가 많아 교체되지 않고 계속 사용됨

NUR (Not Used Recently)

• LRU와 비슷한 알고리즘. 최근에 사용하지 않은 페이지 교체
• 최근에 사용되지 않은 페이지는 향후에도 사용되지 않을 가능성이 높다는 것을 전제로 함 ⇒ LRU에서 나타나는 시간적인 오버헤드 줄일 수 있음
• 최근 사용 여부 확인을 위해 각 페이지마다 두 개의 비트, 즉 참조 비트(Reference Bit)와 변형 비트(Modified Bit, Dirty Bit)가 사용됨
  • 참조 비트 : 페이지가 호출되지 않았을 때는 0, 호출되면 1
  • 변형 비트 : 페이지 내용이 변경되지 않았을 때는 0, 변경되면 1

  참조 비트	0	0	1	1
  변형 비트	0	1	0	1
  교체 순서	1	2	3	4

SCR (Second Chance Replacement, 2차 기회 교체)

• 가장 오랫동안 주기억장치에 있던 페이지 중 자주 사용되는 페이지의 교체를 방지하기 위한 기법
• FIFO 기법의 단점을 보완하는 데에 사용됨

 

주기억장치 할당 기법

프로그램이나 데이터를 실행시키기 위해 주기억장치에 어떻게 할당할 것인지

 

1. 연속 할당 기법

프로그램을 주기억장치에 연속으로 할당

    ⇒  단편화*가 발생할 수 있다.

 

1 - a. 단일 분할 할당 기법

주기억장치를 운영체제 영역과 사용자영역으로 나누어 한 순간에는 오직 한 명의 사용자만이 주기억장치 사용자 영역을 사용하는 기법

• 가장 단순한 기법으로 초기의 운영체제에서 많이 사용하던 기법
• 종류
  • 오버레이(Overlay) 기법 : 주기억장치보다 큰 사용자 프로그램 실행시
  • 스와핑(Swapping) 기법 : 한 프로그램 전체를 주기억장치에 할당하여 사용하다 필요에 따라 다른 프로그램과 교체
• 경계 레지스터 : 운영체제 보호 및 프로그램이 사용자영역만을 사용하게 하기 위해 운영체제 영역과 사용자 영역을 구분하는 부분

 

💡

레지스터(Register) : CPU가 요청을 처리하는 데에 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 기억장치. 메모리의 주소와 명령의 종류 등을 저장할 수 있는 기억 공간이다

 

1 - b. 다중 분할 할당 기법

• 정적 할당 기법 ( = 고정 분할 할당 기법) : 프로그램 할당 전 운영체제가 주기억장치 영역을 고정된 크기로 분할하고, 준비중인 프로그램을 각 영역에 할당하여 수행
• 동적 할당 기법 ( = 가변 분할 할당 기법) : 주기억장치를 미리 분할해두지 않고, 프로그램을 적재할 시 필요한 만큼의 크기로 영역을 분할. 고정 분할 할당 기법의 단편화를 줄이기 위해 사용됨

 

2. 분산 할당 기법

프로그램을 특정 단위의 조각으로 나누어 주기억장치에 분산하여 할당

• 페이징 기법
• 세그먼테이션 기법