ch7. memory management.1 #운영체제OS #메모리관리

memory management  🐇¸.•*¨*•¸.•*¨*•¸.•*¨*•¸.•*¨*•

해당 자료는 강의 학습자료입니다.

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운영체제(OS)는 다양한 매니저가(manager)있다. 이번에는 메모리 매니저가 어떤 역할을 하고 어떻게 작동하는지 알아본다. 메모리 매니저가 하는 일로는 physical 하드웨어가 잘 작동하도록 추상화를 제공(API system call)을 한다.

 

Memory Management Requirements : 요구 사항

- Relocation : 재배치, 잠깐 메모리가 부족하거나, 오래 기다려서 디스크로 옮겼을 때 다시 메모리에 로딩하는 경우

- Protection : 다른 프로세스 영역과 섞이면 안된다.

- Sharing : shared 공유를 하는 매커니즘도 제공해야 한다.

- Logical organization : 내부적인 구조

- Physical organization : 물리적인 구조

 

Memory Partitioning : 메모리를 나누는 기법

 

- Paging 

- Segmentation

 

 

- minimize executable memory access time : 메모리 접근 시간을 최소화해서 속도를 높인다.

- maximize executable memory size : 사이즈는 최대로 사용한다.

- Executable memory must be cost-effective : 비용은 효율적으로 사용한다. 

 

maps process address space to primary memory : mapping을 위해 메모리의 주소를 할당한다.

메모리도 I/O를 해야한다. 메모리와 CPU의 속도차이에 의해 대부분의 시간을 기다리는데 사용한다. 따라서 memory manager은 되도록 CPU가 안 놀도록 (최대한 효율적으로 사용하도록) 도와야하는데 충분한 수의 프로세스를 할당하는 것은 메모리 매니저의 역할이다.

 

 

Relocation : 재배치

In a multiprogramming system, the availale main memory is generally shared among a number of processes

Active processes need to be able to be swapped in and out of main memory

 

when it is swapped back, palcing in the same main memory region as before??

Instead, we may need to relocate the process to a different area of memory

디스크로 잠깐 뺐다가 로딩하려면 배치를 어떻게 / 보호가 필요 (겹치지 않게)

 

Process Addressing

3가지 필요하다.

- PCB 시작위치

- 프로그램 시작위치

-  stack call 위치

 

컴파일하면 재배치가 가능한 relocation 오브젝트 파일로 만든다.

 

이를 Linking : 주소를 연결

라이브러리가 없으면 linking error 발생

 

실행파일이 하드디스크에 저장된다. Absolute program 생김

 

Loader을 이용

 

- allrocate primary memory

- adjust addreses in address space

- Copy address space form secondary to primary memory 

 

상대주소를 할당받으면 그만큼 주소가 늘어난다.

relocatable object.o 에서는 다른 모듈에 있기 때문에 함수 put_record 였지만. 위치를 넣기 위해 주석은 남겨둔다. linking작업을 시행하면 외부 라이브러리도 하나로 묶어 하나의 image로 만들기 때문에 용량이 크게 늘어난다. (주소도 역시 바뀐다.)

 

윗 그림에는 1000번을 할당받아 code Segment가 1000씩밀렸으며, Data segement는 100을 할당받아 0136으로 바뀌었다. 따라서 해당 변수의 위치에 맞게 내부코드도 수정해야한다. 컴파일 시에는 call '주석' 이었지만 다른 모듈에서 주소를 할당받았기 때문에 call 로 함수를 호출한다.

 

 

 

4000을 할당받아 자리 잡았다면, 4000씩 더해주면 된다.

segement는 서로서로 연결되어 code(아래) - data(위,안에 global 변수) 순으로 자리잡는다.

 

 

 

 

Protection : 보안 / 보호 

Each process should be protected against unwaited interfernce by other processes

각 프로세스는 다른 프로세스로 부터 원치않는 간섭에서 보호받아야한다.

Processes need to acquire permission to reference memory locations for reading or writing purposes.

참조 권한을 따로 줄 수 있다.

Location of a program in main memory is unpredictable.

예측 불가능한 상황이 발생할 수 있다. (컴파일 시에는 주소를 모르기 때문, python은 동적 바인딩)

Memory refernces generated by a process must be checked at run time.

Mechanisms that support relocation also support protection

 

Memory Protection requirement must be satisfied by the CPU(HW) (rather than the OS(SW))

엉뚱한 곳을 참조하면 interrput를 발생하듯이 조치를 취한다. CPU의 도움이 필요하다.

 

 

 

Dynamic Address Relocation

Relocation Register : memory entry 주소

Relative Address : 상대 주소를 사용 + 실제 entry에 더함 : 고정을 시켜놓을 수가 없다.

즉 0에서부터 시작한다고 가정한 주소이다.

 

 

Multiple Segment Relocation Registers

Segment : segment마다 다른 곳에 위치할 수 있다. 이를 모두 합해서 주소를 만들어 낼 수도 있다.

 

 

 

 

 

 

 

Runtime Bound Checking

주소가 넘어가는지 안넘어가는지 체크한다. 참조하기전에 Relative address + Relocation Register =실제주소가 limit register 보다 크면 interrupt를 발생한다.

 

 

 

Sharing

If proceeses execute the same program?

- advantageous to allow each process access to the same copy of the program

같은 프로그램을 여러번 실행하는 경우 code 영역은 동일하기 때문에 메모리 이점을 얻을 수 있다.

Any protection must have the flexibility

- to allow processes to access the same portion of main memory

Memory management must allow controlled access to shared areas of memeory

- without compromising protection

 

Mechnaisms used to supprot relocation supprot sharing capabilities

 

 

Logical Oranization 논리적 구성

Memory is organized as linear.

Most programs are organized into modules

- modules can be written and compiled independently

- Different degrees of protection can be given to diffrent modules (read only, execute only)

- It is possible to introduce mechanisms by which modules can be shared among processes

모듈도 각자 다르게 실행된다. 다른 프로세스에도 하나의 모듈을 같이 공유 할 수도 있다.

How OS can effectively deal with these?

-> Segmentation 메모리 관리 기술중 하나, 사이즈를 개별 설정 가능하다.

 

 

Physical Organization 물리적 구성

The organization of the flow of information between main and secondary memory is a major system concern:

Storage Hierarchies (메모리 계층 구조)

 

Place frequently-used info high, infrequnently- used info low in the hierarchy

Reconfigure as process changes phases

메모리 사이에 동기화가 잘되어야한다.

 

Upward moves are copy operations

Update are first applied to upper memroy

Downward move is desructive

- Destory image in upper memory

- update image in lower memory

 

 

계층간의 데이터 흐름을 보았을 때, 원하는 데이터를 찾고 싶으면 cache memory 부터 시작해서 아래로 내려간다. 그리고 해당 값을 찾으면 copy해서 올라오면서 가져와야 한다. 즉, 찾을 데이터가 하위 메모리에는 있어야한다. 만약, 디스크에 있는 것을 삭제하였을때는 상위메모리에서도 데이터가 삭제되어야 한다.

 

 

Memory Partitioning : 메모리 분할, 메모리를 어떻게 나눌 것인가

The principal operation of memory management is to bfings processes into main memory

-for execution by the CPU

In almost all modern multiprogramming system this involves virtual memory

 

an early method of managing memory

- uses in several variations in some now-obsolete OS

-Virtual memory has evolved from the partitioning methods

 

OS도 프로그램이라 차지함

 

gray는 빈공간인데 Pi를 어떻게 넣을 것인가?

 

 

Fixed Partitioning - Equal size

같은 사이즈로 분할했다.

문제 1 : 만약 프로그램이 파티션 보다 크면 할당을 못한다.

문제 2 : 너무 작은 프로그램도 한 블럭을 차지해서 빈 공간이 낭비될 수 있다.

 

Fixed Partitoning - Unequal size

다양한 사이즈로 쪼개었다.

문제 1: 그래도 안에 빈 공간이 생긴다.

 

Fixed Partition Memory Mechanism

N2에 배치하고 남는 공간은? -> 내부 단편화 internal Fragmentation : 고정된 크기가 있을때 할당하고 남는 사용안하는 부분

region : 이미 나뉘어진 공간

 

Pi가 어디에 적합할지 찾는 것을 Placement algorithm 이라고 한다.

 

 

 

 

ready queue를 각각 만들어서 선택을 해서 저장한 후 용량에 맞는 파티션을 선택한다.

장점 : 프로세스들이 가장 적합한 곳에 할당이 가능하다. 내부 단편화가 가장 적다.

단점: 시스템 전체적으로 봤을때는 비효율적이다. ( 5MB 특정한 메모리만 많이 사용한다면 한 곳만 줄 설 수 있다.)

-> single queue 를 만들어서 load 할 때 사용한다.

 

Fixed Partitioning 의 단점

장점 : 간단해서 구현하기가 쉽다. 처리하는데 발생하는 overhead를 최소화 할 수 있다.

단점 : 시스템을 생성할 때 미리 정해진 파티션 수 자체가 멀티프로그래밍의 수준이기 때문에 프로세스를 몇 개 까지 운영할 수 있는지 한계가 생긴다. 또한 아주 작은 프로세스나 매우 큰 프로세스가 얼마나 메모리를 사용할지를 모른다.

 

 

-> Dynamic Partitioning 

길이나 수를 그때그때 판단해서 할당한다.

장점 : 프로세스가 필요한 만큼 정확하게 메모리를 할당할 수 있다.

 

시작했을 때는 딱맞게 실행할 수 있다. P4를 실행할 때 P2를 swap out하고 P4를 실행한다. 그리고 P2를 다시 실행한다고 했을 때 P1을 swap out하고 P2를 실행했다고 하자. 이때 중간에 empty가 발생한다. 이는 시간이 지나면 지날 수록 더 심각해지는데 나중엔 이 빈 공간때문에 메모리 이용률이 감소하게 된다.

 

External Fragmentation : 외부 단편화: 내가 할당하고 남은 바깥쪽에 생기는 빈 공간 (내부 단편화가 다른 점은 Fixed partitioning이라서 내부 region에 빈 공간이 생긴다.)

 

둘을 해결하는 방법은 빈 공간을 압축하면 된다.

Compaction : OS shifts processes so that they are contiguous.

- CPU 시간이 낭비된다.

- 그렇지만 사용해야 한다.

- dynamic relocation 기능이 필요하다.

- 실행중인 프로세스에게 영향을 주면 안된다.

 

주소를 계산해서 잘 연결만 하면 될까?

loader : run time image가 아니라 absolute program을 실행해서 메모리에 올리는 역할, image가 다시 시작할때, 실행 이미지를 만들 때 flag를 옮긴다. address space 를 통한 이동에서 사라지지 않게 Binding 기법을 사용하여 옮긴다.

compile , linker : 쉽게 구분할 수 있도록 flag를 추가

 

dynamic에서 배치 알고리즘

- 처음 배치할 때 잘 생각해야하는데 어떻게? 가장 간단한 3가지를 설명한다.

• First-fit :  scans memory from the beginning and chooses the first available block.
  • 처음부터 스캔했을 때 나오는 공간에 할당한다.
  • 가장 간단하고, 빠르다
  • 단점 : 진행시 외부단편화가 생기는데,  앞부분터 집어 넣기 때문에 hole이 대부분 많이 생긴다.
• Next-fit : Scans memory from the location of the last placement, and chooses the next available block 
  • 할당된 다음부터 찾자
  • 단점 : 메모리 공간 끝에 많이 배치가 된다. 큰 공간이 점점 좁아진다. 외부단편화가 가장 빨리 일어난다.
  • 압축이 자주 일어난다.
• Best-fit : Chooses the block that is closest in size to the request
  • 가장 적합한 크기의 block을 찾는다.
  • 장점 : 외부단편화 현상이 가장 적게 일어난다.
  • 단점 : 성능 자체는 가장 안좋게 나온다. (찾느라...), 여기저기 hole을 만들어서 가장 압축(compaction)을 더더 자주 많이 하게 된다.

 

 

 

Buddy System

Both fixed and dynamic partitioning schemes have draebacks

fixed : 수가 정해지고, 공간이 정해져 있음

dynamic : 유지하기가 힘들고, compaction 발생시 overhead가 발생한다.

 

이 둘의 절충안이 buddy system

 

The entire space available for allocation is treated as a single block of size 2u

 

반틈 나눠서 체크하면서

할당된 가장 작은크기의 블럭 < 이 사이를 찾는다. < 가장 큰 크기의 블럭

 

예시를 보는게 더 간단하다.

 

가장 적합한 블럭이 나올 때 까지 반으로 쪼개어 할당하고 할당이 끝나면 큰 덩어리로 돌려 놓는다.

 

단편화가 조금 생기더라도 오래가지 않고 합치기 때문에 충분한 공간이 생긴다.

 

 

 

 

 

 이진 트리 구조로 구현하면 된다.

 

말단 노드만 보면 현재 메모리의 상태를 알 수 있다.

 

병렬 시스템에 더 자주 사용되며 현대의 운영체제는 paging ㄱ법을 사용한다.

 

빠른 할당과 해제가 가능하다.

 

 

 

 

 

Relocation : 재배치

A process may occupy different partitions during the course of its life.

- process may be swapped out; when it is subsequently swapped back in,

it may be assigined to a different partition.

The same is true for dynamic partitioning and compaction.

 

fixed partition을 사용하는 경우 특정 프로세스는 같은 파티션에 다시 할당될 가능성이 높았다. 그러나 dynamic을 사용하는 경우 위치가 바뀔 가능성이 크다. compaction도 일어나는 경우도 있으니 데이터의 위치는 고정이 아니다.

 

따라서 이 문제를 해결하기 위해서 relocation을 사용하고 메모리 매니저를 사용하여 address는 세가지 정보를 담고있어야 한다.

 

Address Types

 변경(계산)시 하드웨어의 도움이 필요하다.

• Physical (absolute)
  • Actual location in main memory : 메모리의 실제 위치
• Logical
  • Referece to a memory location independent of the current assignment of data to memory; 
  • 완전히 독립적으로 참조 위치, 어디에 참조하면 되는지
•  Relative -> physical로 바꾸기(0에서 시작)
  •  a particular example of logical address, 상대적인 위치
  • CPU를 통해 계산한 상대적인 위치 -> 실제 메모리 위치

 

Address Translation HW

 

register가 두 종류가 있다.

 

Base register : loaded with the starting physical address of the process

Bounds register : loaded with the process's ending physical address

 

Relative address가 들어오면 absolute address 계산을 한다. base 와 bound를 통해 계산을 해서 벗어나면 interrupt를 발생한다.

내부에 있으면 실행한다.