3.2 메모리

3.2.1 메모리

• 메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있다.
• 레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적다
• 캐시: L1, L2 캐시를 지칭. 휘발성, 속도 빠름, 기억용량 적음
• 주기억장치: RAM , 휘발성, 속도 보통, 기억 용량 보통
• 보조기억장치: SSD, HDD를 일컬으며 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 많음

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다. 경제성 때문에 계층을 두어 관리한다.

 

캐시

• 캐시는 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말함
• 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.
• 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결
• 속도차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 한다.

지역성의 원리

• 캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때는 어떻게 하나요?
• 자주 사용하는 데이터 기반으로 하는데 이 기반의 근거가 되는 것은 지역성이다.
• 지역성은 시간 지역성과 공간 지역성으로 나뉜다.

시간지역성

• 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성
• for 반복문으로 이루어진 코드 안의 변수 i에 계속해서 접근

공간지역성

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

 

캐시히트와 캐시미스

• 캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트라고 하며, 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 한다.
• 캐시히트를 하면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져온다
• 캐시히트의 경우 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르다.
• 캐시미스가 발생되면 메모리에서 가져오는데, 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느리다.

캐시매핑

• 캐시매핑은 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말한다.
• CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM)간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다.
• 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로서 역할을 잘 해주려면 이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요하다.

 

웹 브라우저의 캐시

• 소프트웨어적인 대표적인 캐시로는 웹 브라우저의 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있다.
• 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰인다.
• 쿠키
  • 쿠키는 만료기한이 있는 키-값 저장소이다.
  •  same site 옵션을 strict로 설정하지 않을 경우 다른 도메인에서 요청하면 자동 전송되며 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있다.
  • 쿠키를 설정할 때는 document, cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 주요하다.
  • 보통 서버에서 만료기한을 정한다.
• 로컬 스토리지
  • 만료기한이 없는 키-값 저장소이다.
  • 10MB까지 저장하며 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성된다.
  • 클라이언트에서만 수정 가능하다.
  • HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서 사용할 수 없다.
• 세션 스토리지
  • 만료기한이 없는 키-값 저장소이다.
  • 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다.
  • 5MB까지 저장이 가능하다.
  • 클라이언트에서만 수정 가능하다.
  • HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서 사용할 수 없다.

데이터베이스의 캐싱 계층

• 데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스 데이터 베이스 계층을 '캐싱 계층'으로 둬서 성능을 향상시키기도 한다.

 

3.2.2 메모리 관리

• 운영체제의 대표적인 할 일 중 하나가 메모리 관리이다.
• 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야한다.

가상메모리

• 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말한다.
• 가상적으로 주어진 주소를 logical address라고 하며, 실제 주소를 physical address라고 한다.
• 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환된다.
• 가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 '페이지테이블'로 관리된다.
• 속도 향상을 우해 TLB를 사용한다
  • TLB는 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다.

 

스와핑

• 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생
• 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮겨 필요할 때 다시 RAM으로 불러와 올리고 사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여 RAM을 효과적으로 관리하는 것이 스와핑이다.

페이지 폴트

• 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에 없는 데이터에 접근하는 경우에 발생
• 운영체제는 다음 과정으로 해당 데이터를 메모리로 가져와 페이지 폴트가 발생하지 않은 것처럼 프로그램이 작동하게 해준다.
  1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알림
  2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춤
  3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어있는 프레임이 있는지 찾는다. 물리메모리에도 없으면 스와핑 발동
  4. 비어있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고 페이지 테이블 최신화
  5. 중단되었던 CPU 다시 시작

스레싱

• 스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.

• 스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것
• 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아짐
• CPU 이용률이 낮아지면 운영체제는 CPU가 한가하다고 생각하여 가용성을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 되고 악순환이 반복되어 스레싱이 일어난다.
• 해결방법으로는 메모리를 늘리거나, HDD를 SSD로 바꾸는 방법이 있다.
• 이외의 운영체제에서 이를 해결할 수 있는 방법은 작업 세트와 PFF가 있다.

작업세트

• 작업세트는 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드 하는 것
• 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄이고 스와핑 또한 줄일 수 있다.

PFF

• 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법
• 상한선에 도달한다면 페이지를 늘리고 하한선에 도달한다면 페이지를 줄이는 것

메모리 할당

• 메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데, 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.
• 연속할당
  • 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것
  • 고정 분할 방식
    • 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식으로 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없다.
    • 내부 단편화가 발생한다.
  • 가변 분할 방식
    • 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다.
    • 내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화는 발생할 수 있다.
    • 최초적합, 최적적합, 최악적합이 있다.

메모리 단편화

• RAM에서 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져 사용가능한 메모리가 충분히 존재하지만 할당이 불가능한 상태를 보고 메모리 단편화가 발생했다고 한다.

1. 내부 단편화
   • 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되는 경우
   • 7만 있으면 되는데 10에 할당되니까 3이 낭비됨
2. 외부 단편화
   • 메모리가 할당 및 해제 작업의 반복으로 작은 메모리가 중간 중간에 존재
   • 사용하지 않는 메모리가 존재해서 총 공간은 9로 필요한 7보다 많지만 할당하지 못함

이런 메모리 단편화 문제를 해결하는 방법 중 세그먼테이션기법과 페이징기법이 있다.

 

페이징기법

• 페이징 기법은 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당
• 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해진다

세그멘테이션

• 페이지 단위를 세그먼트로 나누는 방식
• 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있다.
• 공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생

페이지드 세그멘테이션

• 공유나 보안을 의미 단위인 세그먼트로 나누고 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것을 말한다.

 

페이지 교체 알고리즘

 메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어나는데 스와핑이 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며 이는 페이지  교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어난다.

1. 오프라인 알고리즘
   • 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘
   • 가장 좋은 방법이지만 미래에 사용되는 프로세스를 우리가 알 수 없다!
   • 즉, 사용할 수 없는 알고리즘이지만 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 기준을 제시한다.
2. FIFO
   • 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법을 의미
3. LRU
   • 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다.
   • '오래된' 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있다.
4. NUR
   • LRU에서 발전한 NUR 알고리즘
   • 일명 clock 알고리즘이라고 하며 0,1을 가진 비트를 둔다.
   • 1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 뜻하는데 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘

5. LFU

• 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체한다.