메모리

- 목차 -

1. 메모리 계층

2. 메모리 관리

3. 메모리 할당

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1. 메모리 계층

 

 

• 레지스터 : CPU안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠르며 기억 용량이 가장 적다.

• 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭하며 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적다. 
• 주기억장치 : RAM을 가리키며, 휘발성, 속도 보통, 기억 용량도 보통이다.

• 보조기억장치 : HDD, SSD를 일컬으며 비휘발성, 속도 낮음, 기억용량이 많다.

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1.1 캐시(cache)

데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리이다.

 

지역성의 원리

캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 하는데 그 근거가 되는 것이 바로 지역성이다. 지역성은 시간지역성과 공간지역성 두 가지로 나뉜다.

 

• 시간지역성(temporal locality)
  최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성
• 공간지역성(spatial locality)
  최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성

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1.2 캐시히트, 캐시미스

 

캐시히트 : 캐시에서 원하는 데이터를 찾음

캐시미스 : 캐시에서 원하는 데이터를 찾지 못해 메모리에서 데이터를 찾음

 

캐시매핑

• 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법
• CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다.
  레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작기 때문에 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 해주려면 이 매핑을 어떻게 해주는지가 중요하다.

이름	설명
직접 매핑 (directed mapping)	메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 1:1~10, 2:1~20 과 같은 식으로 매핑하는 것을 말하며, 처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦다.
연관 매핑 (associative mapping)	순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느리다.
집합 연관 매핑 (set associative mapping)	직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것으로 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적이다. 예를 들어 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 캐시 1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것을 말한다.

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1.3 웹 브라우저 캐시

 

* 쿠키 

만료 기한을 설정할 수 있으며, HttpOnly와 Secure 옵션을 설정해 보안을 강화할 수 있습니다.

도메인 간에 자동 전송될 수 있습니다.

기본적으로 4KB까지 데이터를 저장할 수 있습니다.

 

* 로컬 스토리지

도메인 단위로 10MB까지 데이터를 저장할 수 있습니다.

브라우저를 닫아도 데이터가 유지됩니다.

클라이언트 측에서만 수정 가능합니다.

 

* 세션 스토리지

세션 스토리지는 브라우저 탭 단위로 데이터를 저장합니다.

탭을 닫으면 데이터가 삭제됩니다.

최대 5MB까지 데이터를 저장할 수 있습니다.

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1.4 데이터베이스 캐시

데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터 베이스 계층을 캐싱계층으로 두어 성능을 향상시키기도 한다. 

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2. 메모리 관리

 

2.1 가상메모리

가상 메모리는 운영체제의 메모리 관리 기법 중 하나로, 실제 물리적 메모리보다 더 큰 메모리를 사용할 수 있게 해 줍니다.

가상 주소(logical address)를 실제 주소(physical address)로 변환하는 역할은 MMU(Memory Management Unit)가 담당하며, 이로 인해 프로그램은 물리적 메모리 크기와 상관없이 큰 메모리 공간을 사용할 수 있습니다.

 

가상 메모리는 페이지 테이블을 통해 관리되며, 필요한 페이지가 없을 경우 페이지 폴트가 발생하고, 운영체제는 스와핑을 통해 필요한 페이지를 메모리에 불러옵니다.

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2.2 스와핑(swapping)

스와핑(swapping)은 가상 메모리 시스템에서 실제 메모리에 없는 페이지를 디스크에서 가져오는 과정입니다.

페이지 폴트가 발생하면, 운영체제는 현재 메모리에서 사용하지 않는 데이터를 디스크로 이동시키고, 필요한 데이터를 디스크에서 메모리로 로드합니다.

 

스와핑은 디스크와 메모리 간의 데이터 교환을 의미합니다.

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2.3 페이지폴트(page falut)

페이지 폴트는 가상 메모리에서 프로세스가 필요한 페이지가 현재 RAM에 존재하지 않을 때 발생하는 오류입니다.

 

1. 트랩 발생 : CPU는 페이지가 메모리에 없다는 것을 인식하고 트랩을 발생시켜 운영체제에 알립니다.

2. 페이지 테이블 확인 : 운영체제는 해당 페이지가 가상 메모리에 존재하는지 확인합니다.

3. 프레임 확인 : 메모리에서 비어 있는 프레임이 있는지 확인하고, 없다면 스와핑을 통해 필요하지 않은 페이지를 디스크로 보냅니다.

4. 로드 및 업데이트 : 필요한 페이지를 메모리로 로드하고 페이지 테이블을 최신화합니다.

5. 프로세스 재개 : 다시 프로세스를 실행합니다.

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2.4 스레싱(thrashing)

페이지 폴트율이 급격히 증가하면서 시스템 성능이 심각하게 저하되는 현상입니다. 주로 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가면서 스와핑이 과도하게 발생할 때 발생합니다.

페이지 폴트가 빈번해지면 CPU는 데이터 교환에만 자원을 사용하게 되어 성능이 저하됩니다.

 

해결방법

1. 작업 세트(Working Set) : 프로세스가 자주 사용하는 페이지를 미리 메모리에 로드해 스와핑을 줄입니다.

2. PFF(Page Fault Frequency) : 페이지 폴트 빈도에 따라 메모리 할당을 동적으로 조절합니다.

3. 메모리 용량 증대 또는 HDD를 SSD로 교체해 스와핑 속도를 높입니다.

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3. 메모리 할당

운영체제에서 메모리를 할당할 때는 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉩니다.

 

1. 연속 할당

• 고정 분할 방식 : 미리 나뉜 메모리 영역을 사용해 프로그램을 할당. 내부 단편화 발생 가능.

• 가변 분할 방식 : 프로그램 크기에 맞게 동적으로 메모리 할당. 외부 단편화 발생 가능. (최초 적합, 최적 적합, 최악 적합 방식)

 

2. 불연속 할당

• 페이징 : 동일한 크기의 페이지로 나누어 할당. 주소 변환 복잡성 증가.

• 세그멘테이션 : 의미 단위로 나누어 할당, 공유와 보안에 유리.

• 페이지드 세그멘테이션 : 세그먼트 단위로 나눈 후 페이지로 할당.

 

이름	설명
최초적합 (first fit)	위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당한다.
최적적합 (best fit)	프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당한다.
최악적합 (worst fit)	프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당한다.

 

* 내부 단편화(internal fragmentation)
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
* 외부 단편화(external fargmentation)
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상.
ex) 100MB를 55MB,  44MB로 나눴지만 프로그램의 크기는 70MB일 때 들어가지 못하는 것.
* 홀(hole)
할당할 수 있는 비어있는 메모리 공간.