운영체제 스터디 도중 쉽게 배우는 운영체제를 읽고 요약한 내용입니다. 자세한 내용은 책을 구매하여 확인 부탁드립니다.

7. 물리 메모리 관리

메모리 관리의 개요

메모리 관리의 복잡성

메모리는 1B 단위로 나뉨
1B단위로 나뉜 각 영역은 메모리 주소를 구분하는데, 0번지 부터 시작
CPU는 메모리에 데이터를 쓰거나 / 가져오기 위해 MAR ( Memory Address Register )를 사용
MAR에 필요한 메모리 주소를 넣으면, 데이터를 메모리에서 가져오거나, 메모리에 옮길 수 있음
일괄 처리 시스템에서는 메모리에 하나의 작업만 처리 했기 때문에, 메모리 관리가 어렵지 않았으나, 시분할 시스템에서는 운영체제를 포함한 모든 응용프로그램이 메모리에 올라와 실행되기 때문에 관리가 복잡 ( 도마에 올라간 재료가 하나 / 여러개 임을 상상하면 쉬움 )
메모리에는 운영체제도 올라 와 있음을 기억 !
메모리 관리의 이중성
- 프로세스는 메모리리를 독차지 하려 하고, 메모리 관리자 입장에선 되도록 관리를 효율적으로 하고자 함
- 프로세스 입장에서 작업의 편리함과 관리자 입장에서 관리의 편리함이 충돌을 일으키는 일
프로그램을 메모리에서 실행하는 이유
- SSD를 사용하면 안되나 ? → 가격이 비쌈
- CPU속도와 동일한 속도로 작업을 처리하는 캐시메모리도 작지만 속도가 빠름 ( 가격이 비쌈 )

컴파일러 / 인터프리터

프로그래머가 고급 언어 ( 인간이 이해할 수 있는 개발 언어 ) 작성 된 코드를, 컴퓨터에서 실행 가능한 코드로 변경 하는 작업이 필요함
언어 번역 프로그램
- 고급 언어 ( 사용자가 이해하기 쉽게 프로그래밍 할 수 있는 언어 ( java / c … )로 작성 한 소스코드를 컴퓨터가 실행 할 수 있는 기계어로 번역 해주는 프로그램
- 언어 번역 프로그램의 일종으로 컴파일러 / 인터프리터가 존재
- 컴파일러
  - 소스코드를 컴퓨터가 실행 할 수 있는 기계어로 번역 한 후 한꺼번에 실행
  - 윈도우에서 실행 가능한 확장자의 이름은 exe인 경우가 잦은데, 이는 컴파일러가 번역 한 기계어 코드의 확장자가 exe 라는뜻
  - 요리 예제
    - 요리 레시피를 보고, 전체 레시피를 훑어보며 오류나 불필요한 내용이 있는지 살펴봄
    - 예를들어 양배추가 소스 만드는데 필요하지만 준비 재료에 적혀있지 않다면 컴파일에러를 띄워 요리사에게 에러를 노출시킴
    - 또 양파를 써는 과정에서 양파를 1개씩 써는 작업이 3번이 적혀 있다면 양파 3개를 한번에 썰도록 레시피를 최적화 하는 작업을 거침
    - 또 필요하지 않은 재료가 준비물에 적혀 있다면 경고 메세지를 요리사에게 띄워 줄 수 있음
  - 목적
    - 실행하기 전에 코드를 점검하여 오류를 수정하고 최적화 → 빠른 실행파일을 만드는것이 목적 !
    - 오류 발견
      - 소스코드에서 오류를 발견하여 실행 시 문제가 없도록 하는 것
      - 심벌 테이블을 사용 !
        
        심벌 테이블 : 변수 선언부에 명시한 각 변수의 이름과 종류를 모아놓은 테이블
        
        선언하지 않은 변수를 사용하지는 않았는지, 변수에 다른 종류의 데이터를 저장하지는 않았는지 확인 할 수 있음
    - 코드 최적화
      - 양파 1개를 썰어 볶는 작업이 두번 서술되어 있다면 2개를 썰어 볶는 작업으로 합칠 수 있음
      - 또 사용되지 않는 불필요한 재료들도 삭제 할 수 있음
  - 컴파일 과정
    1. 소스코드 작성 및 컴파일
      - 프로그래머가 작성 한 코드를 0 / 1 로 이루어진 목적 코드 ( object code )로 변환한다.
    2. 목적 코드와 라이브러리 연결
      - 라이브러리에서 가져와 사용한 함수의 기계어 코드를 1번의 과정에서 생성한 목적코드에 삽입하는 과정
      - C언어에서 printf()함수를 라이브러에서 가져와 목적 코드에 삽입하는 단계
    3. 동적 라이브러리를 포함하여 최종 실행
      - 동적 라이브러리 ?
        
        라이브러리에서 가져 온 코드를 활용( 위 2번의 작업 까지 )하여 실행 파일을 생성 한 이후엔, 라이브러리에서 가져 온 코드의 변경에 대응 할 수 없는 상태이다. ( 이미 라이브러리안의 코드를 가져와 실행파일에 삽입 되어 있기 떄문 )
        
        따라서 라이브러리의 업데이트나, 코드 변경 사항에 반응 할 수 없다는 단점을 보완하고자, 라이브러리에 있는 코드의 실제 구현체는 비워두고, 실행 시 동적으로 라이브러리속에서 해당 코드를 가져오는 작업을 진행 할 수 있다.
        
        이때 실행할 때 삽입되는 함수를 가진 라이브러리를 동적 라이브러리 라고 칭한다.
        
        동적 라이브러리를 활용하면, 라이브러리 속 함수가 변경되도라도 새로 컴파일 할 필요 없이 라이브러리만 변경하여 사용하여 주면 된다.
        
        DLL ( Dynamic Link Loader )로 칭하기도 함 - 여러 프로그래머 ( A, B, C )가 작업 한 것을 합치려고 할 때는, A, B, C가 작업 한 결과물을 컴파일 한 목적 코드를 합쳐 컴파일 하는 것이 수월함 ( 분할 컴파일이라 칭함 )
      - 목적 코드가 만들어 졌다는 것 자체가, 소스코드의 오류 검증과 최적화가 이루어 진 상태라는 것을 의미하기 때문 - 변수와 메모리 할당
      1
      2
      3
      char str = 'a'; int vol = 1234; float pi = 3.14;
      - 기계어는 메모리 주소를 사용
      - char str = ‘a’;는 기계어에서는 메모리 주소 0번지에 a를 넣으라는 명령으로 번역
      - 컴파일러는 0번지에 a를 넣고, 이곳을 문자형이 들어가는 공간으로 기억
      - char / int / float는 보관 하려는 자료의 형태를 나타낼 뿐 아니라, 사용하려는 메모리의 크기를 나타내기도 하고 이를 기반으로 심벌 테이블을 생성 함
      - 위 테이블에서 범위는, 각 변수를 사용 할 수 있는 영역 ( scope )를 나타냄
      - 컴파일러는 변수를 사용 할 때 마다, 범위를 벗어나지는 않았는지 체크함
      - 변수 종류마다 크기가 정해져 있기 때문에, 변수의 시작 주소만 명시하면 그 크기는 자동으로 정해짐
      - 위를 종합해보자면, 변수는 메모리 주소와 같은 말이다
      - 메모리 주소는 프로그래머가 기억하고 읽기 힘드므로, 메모리 주소에 프로그래머가 읽기 편한 이름을 지어 변수로 사용 하는것
- 인터프리터
  - 소스코드를 한 행씩 번역하여 실행
  - 요리 예제
    - 요리 레시피를 보고, 요리 레시피에 적힌 대로 위에서 아래로 한줄 씩 읽어가며 요리를 완성하는 과정
## 메모리 관리자의 역할
- 메모리 관리 유닛 이라는 하드웨어가 메모리를 관리한다.
- 가져오기 ( fetch ) / 배치 ( placement ) / 재배치 ( replacement ) 작업을 진행한다.
- 가져오기
  - 프로세스와 데이터를 메모리로 가져오는 작업
  - 프로세스와 데이터를 모두 가져오는 경우가 많고, 특정 상황에서는 일부만 가져와 사용하기도 함
  - 용량이 큰 동영상 플레이 같은 경우, 플레이어는 전부 가져와 실행하지만 동영상은 필요할 때 마다 수시로 가져와 실행하도록 함
  - 앞으로 필요 할 것으로 예상되는 것을 미리 가져오기도 함
  - 가져오기 정책
    - 프로세스가 필요로 하는 데이터를 언제 메모리로 가져 올 지 결정하는 정책
    - 요청 할 때 가져오는게 일반적이지만, 미리 가져오는 경우도 존재 ( prefetch )
- 배치
  - 가져온 프로세스와 데이터를 메모리의 어떤 부분에 올려 놓을 지 결정하는 작업
  - 배치 작업 전에 메모리를 어떤 크기로 자를 것인지가 매우 중요
  - 실행되는 프로세스의 크기에 맞게 자르느냐, 그렇지 않느냐 … 에 따라 배치 작업이 크게 달라짐
  - 나누어진 메모리의 구역에 따라 프로세스와 데이터를 어떤 위치에 놓을 지 결정하는 것이 배치 작업
  - 배치 정책
    - 가져온 프로세스를 메모리의 어떤 위치에 올려 놓을지 결정하는 정책
    - 메모리를 같은 크기로 자르는 것 → paging / 프로세스에 맞게 자르는것 → segmentation
- 재배치
  - 메모리 속 오래된 프로세스를 내보내는 작업
  - 새로운 프로세스를 가져와야 하는데, 메모리가 꽉 찼다면 메모리에 있는 프로세스를 하드디스크로 옮겨 놓아야 새로운 프로세스를 가져 올 수 있음
  - 재배치 정책
    - 어떤 프로세스를 내보낼지 결정하는 정책
    - 해당 알고리즘을 교체 알고리즘 이라 칭함
## 메모리 주소

### 32Bit CPU와 64Bit CPU의 차이
- CPU Bit → 한 번에 다룰 수 있는 데이터의 최대 크기
- 32Bit CPU는 한번에 다룰 수 있는 데이터의 최대 크기가 32Bit
- CPU 내부 부품은 모두 이 비트를 기준으로 제작
- 32Bit CPU의 경우 레지스터 / 산술연산자 / 버스의 크기 / 대역폭 등이 모두 32BIt
- 따라서, 메모리 주소 레지스터의 크기도 32Bit
- 메모리 주소 레지스터의 크기가 32Bit이므로, CPU는 접근 할 수 있는 메모리 주소의 범위가 0 ~ 2^32-1 가 되고 총 크기는 2^32Bit, 약 4GB가 된다.
- 따라서 32Bit CPU의 경우 사용 할 수 있는 메모리의 최대 크기는 4GB이다.
- 64Bit의 경우엔 메모리를 $2^{64}$Bit, 약 16,777,216 TB 까지 사용 가능 하다.
### 절대 주소와 상대 주소 차이
- 메모리 영역 구분
  - 메모리는 운영체에 영역과 사용자 영역을 구분 할 필요가 있다.
  - 운영체제 영역을 고정 해 놓고, 사용자 영역은 운영체제 영역이 끝나는 지점부터 시작 하여 메모리에 적재를 시작 할 수 있다.
  - 하지만, 운영체제 영역의 크기가 변할 수 있음에 따라 사용자 영역의 시작 위치도 변경 될 수 있다.
  - 따라서, 운영체제 영역을 놔 두고, 사용자 영역을 메모리의 끝을 시작으로 하고, 운영체제 영역의 끝 을 사용자 영역의 끝으로 정할 수 있다.
  - 하지만 위의 경우 메모리를 거꾸로 사용하기 위해 주소를 변경하는 일이 쉽지 않아 잘 쓰이지 않는다.
  - 운영체제 영역과 사용자 영역을 구분하기 위해서는 경계 레지스터를 사용한다.
    - 경계 레지스터 → 운영체제 영역과 사용자 영역의 경계 지점의 주소를 가진 레지스터
    - 경계 레지스터를 벗어나는 작업을 요청하는 프로세스가 있으면 그 프로세스를 강제 종료 시킴
- 절대 주소 / 상대 주소
  - 사용자 프로세스가 메모리의 사용자영역 400번지에 올라왔다고 가정
  - 컴파일 방식을 사용하는 프로그램의 경우 컴파일 시 변수의 주소를 0번지 부터 배정
  - 컴파일 할 당시에는 변수가 메모리의 어느 위치에 올라가는지 알 수 없기 때문에 0번지 부터 배정하고, 실제로 실행 할 때 메모리를 변수의 메모리 위치 주소 번지 + 400 번지 ( 사용자 메모리의 시작 지점 ) 형식으로 조정
  - 이 때, 400번지가 절대 주소에 해당
  - 절대주소
    - 메모리 관리자 입장에서 바라 본 주소 이며, 컴퓨터에 꽂힌 메모리의 실제 주소를 의미
    - 절대 주소를 사용하면 메모리 관리자는 편하지만, 사용자 프로그램 입장에서는 불편 / 위험
  - 상대 주소
    - 사용자 프로세스 입장에서 바라본 주소
    - 사용자 영역이 시작되는 번지를 0번지로 변경하여 사용하는 주소 지정 방식
    - 사용 할 수 없는 영역의 위치를 알 필요가 없고, 주소가 항상 0번지 부터 시작하기 때문에 편리
    - 논리 주소 공간 → 상대 주소를 사용하는 주소 공간
- 상대 주소 값에 재배치 레지스터 값을 더해 절대 주소값을 구함
## 단일 프로그래밍 환경에서의 메모리 할당
- 메모리 오버레이
  - 프로그램의 크기가 물미 메모리 크기보다 클 때, 전체 프로그램을 메모리에 가져오는 대신, 적당한 크기로 잘라 가져오는 기법
  - 프로그램을 몇개의 모듈로 나누고, 필요 할 때마다 모듈을 메모리에 가져와 사용
  - 중요한 모듈만 메모리에 올려 놓고, 나머지는 필요할 때 마다 메모리에 가져와 사용하는 방식
  - ex) 아래한글 프로그램을 실행 했을 때, 그림판 / 맞춤법 검사 등의 모듈은 필요 할 때마다 메모리에 올려놓고 사용
  - 전체를 모두 올리는 것 보다 속도는 느리지만, 메모리가 프로그램보다 작을 때에도 실행 가능하기 떄문에 유용
  - 어떤 모듈을 가져오거나 내보낼 지는 CPU의 프로그램 카운터 레지스터( 앞으로 실행 할 명령어의 위치를 가리키는 레지스터 ) 가 담당
- 스왑
  - 스왑영역 : 메모리가 모자라서 쫓겨난 프로세스가 보관되는 영역
  - 메모리 오버레이 기법 도중, 필요한 모듈을 가져 오기위해 다른 모듈을 치워야 한다면, 치운 모듈을 보관 하고 있을 장소가 필요
  - 원래 있던 하드디스크에 보관 하는 것은 작업이 끝나지 않았고, 언제 다시 사용할 지 모르기 때문에 비효율적
  - 스왑 인 → 스왑 영역에서 메모리로 데이터를 가져오는 작업
  - 스왑 아웃 → 스왑 영역에서 데이터를 메모리로 가져가는 작업
  - 저장장치 관리자가 관리하는 것이 아니라, 메모리 관리자가 관리 함 ( 저장 장치는 장소만 빌려 줌 )
  - 스왑 영역 크기 + 실제 메모리 크기 = 사용자가 인지하는 사용 할 수 있는 메모리 영역 크기
  - PC에서 절전모드를 실행 했을 때, 실행중이던 프로그램들이 저장되는 곳
## 다중 프로그래밍 환경에서의 메모리 할당

### 메모리 분할 방식
- 메모리를 어떤 크기로 나눌 것인지에 대한 정책 수립 → 메모리 배치 정책
- 크게 가변 분할 방식 / 고정 분할 방식으로 나눌 수 있음
- 요즘엔, 고정 분할 방식을 기본으로 사용하고, 필요한 부분에 가변 분할 방식을 혼합하여 사용 중
- 가변 분할 방식 ( Variable size partitionaing )
  - 프로세스의 크기에 따라 메모리를 나누는 방식
    - 식당에서, 손님의 크기에 따라 의자의 크기도 조정하는 방식
    - 효율적인 방식 처럼 보이지만, 의자 관리 측면에서는 매우 불편
  - 처리해야 할 프로세스가 메모리에 적재 되어야 할 때, 남는 메모리 공간이 없으면 공간이 나올 때 까지 대기
  - 고정 분할 방식이 프로세스를 쪼개는 것과는 대비됨
    - 식당에서 5명이 한 팀인 손님이 대기 중일 떄, 5명이 나란히 앉을 수 있는 자리가 나올 때 까지 손님 대기
    - 만약, 식사중이신 손님 2명이 옆칸으로 이동 하면 5명의 자리가 난다면, 이동시켜야 5명이 한자리에 앉을 수 있지만 이는 매우 불편한 상황이 발생
  - 프로세스의 크기에 따라 메모리가 분할 → 할당된 메모리의 영역이 각각 다름
  - 한 프로세스가 연속된 공간에 배치되기 때문에, 연속 메모리 할당 이라고도 부름
  - 장점
    - 프로세스를 한 덩어리로 처리하여 하나의 프로세스를 연속된 공간에 배치
  - 단점
    - 메모리 관리가 복잡
    - 대기중인 프로세스의 크기보다, 남는 메모리의 크기가 작은 경우에 프로세스의 공간을 위해 실행중인 프로세스를 이동 시킬 것인지, 등의 문제가 발생
  - 메모리 관리
    - 빈 영역이 있어도 서로 떨어져 있으면 프로세스를 배정하지 못하는 문제가 발생 ( 외부 단편화, external fragmentation )
    - 이런 파편화 문제를 해결하기 위해 메모리 배치 방식 ( 작은 조각이 발생하지 않도록 프로세스를 배치하는 방식 ) / 조각 모음 ( 조각이 발생 했을때 작은 조각들을 모아 하나의 큰 덩어리로 만들어 주는 방식 ) 을 사용
    - 메모리 배치 방식
      - 최초 배치 ( first fit ) / 최적 배치 ( best fit ) / 최악 배치 ( worst fit ) 등이 있음
      - 최초 배치
        
        단편화를 고려하지 않고, 적재 가능한 공간을 순서대로 찾다가 첫 번째로 발견한 공간에 프로세스를 배치하는 방식
        
        빈 공간을 찾아다닐 필요가 없다.
      - 최적 배치
        
        메모리의 빈 공간을 모두 확인 한 후 적당한 크기 가운데 가장 작은 공간에 프로세스를 배치하는 방식
        
        빈 공간을 모두 확인하는 작업이 있지만, 파편화가 잘 일어나지 않는다는 장점이 있음
      - 최악 배치
        
        메모리의 빈 공간을 모두 확인 후 적당한 크기 가운데 가장 큰 공간에 프로세스를 배치하는 방식
        
        프로세를 배치하고 남은 공간이 여전히 크기 때문에, 파편화를 줄일 수 있는 방식
    - 조각 모음
      - 작은 프로세스가 작업을 마치고 메모리에서 나가면 그 공간이 조각으로 남아 쓸모 없어질 가능성이 크기 때문에, 이미 배치된 프로세스를 옆으로 옮겨 하나의 큰 덩어리로 만드는 작업
      - 여러개의 빈 공간을 합치는 작업
      - 이동 할 프로세스의 동작을 멈추고, 이동시킨 뒤 상대 주소값을 바꾸어 주고, 프로세스를 재시작 하는 방식
      - 많은 시간이 걸리며 메모리 관리가 복잡 해 짐
      - 하드디스크의 조각 모음도 이와 비슷하게 동작
- 고정 분할 방식 ( Fixed size partitioning )
  - 프로세스의 크기와 상관 없이 메모리를 같은 크기로 나누는 방식
    - 식당에서 손님의 신체 크기와 상관없이 같은 크기의 의자를 준비하는 방식
    - 만약 손님이 의자보다 크면, 의자를 두개 / 세개 … 줌
    - 비효율 적으로 보이지만, 의자 관리 측면에서는 매우 편함
  - 나누어진 메모리 단위의 크기보다 프로세스의 크기가 큰 경우, 프로세스를 a, b, c등으로 쪼개어 분리
    - 식당에서 5명이 한 팀인 손님이 대기 중이고 4명씩 앉도록 파티션이 되어 있다면, 따로 떨어져 앉더라도 5명이 앉을 수 있는 자리가 나오면 따로 떨어져 앉힘 ( 4 + 1 )
    - 일행이 따로 앉는 문제를 신경 쓰지 않아도 되기 떄문에 관리에 수월
  - 한 프로세스가 분산되어 배치되기 때문에 비연속 메모리 할당 이라고도 부름
  - 장점
    - 메모리 관리가 수월
  - 단점
    - 쓸모 없는 공간이 생길 수 있어 메모리 낭비가 발생 할 수 있음
    - 나눠진 공간보다 작은 프로세스가 올라 올 경우, 남는 공간에 다른 프로세스가 할당 될 수 없으므로 메모리 낭비가 발생
  - 메모리 관리
    - 프로세스가 메모리의 여러 조각에 나뉘어 저장되는것이 문제
    - 나뉜 메모리의 크기보다 작은 프로세스가 배치 될 경우 낭비되는 공간이 생기는 문제가 발생
    - 일정한 크기로 나뉜 파티션 안쪽으로 작은 조각들이 발생 ( 내부 단편화, inner fragmentation )
    - 가변 분할 방식에서 처럼 조각 모음을 할 수도, 남는 공간을 다른 프로세스에 할당 할 수도 없음
    - 동일하게 분할되는 공간의 크기를 조절하여 내부 단편화를 최소화 하는 방향으로 최적화 ( 정답은 없으며, 이를 최적화 하는 방식은 여러가지 )
### 버디 시스템
- 가변 분할 방식 / 고정 분할 방식의 중간 구조
- 작동 방식
  1. 프로세스의 크기에 맞게 메모리를 반으로 계속 자르고, 알맞은 크기에 프로세스를 배치
    - 16개의 의자가 있을 때, 손님 세명이 오면, 4개의 파티션에 손님 세명을 앉힘
  2. 나뉜 메모리의 각 구역에는 프로세스 하나만 배치
    - 윗 과정에서 나온 나머지 한 자리엔 손님을 앉히지 않음
  3. 프로세스가 종료 되면, 주변의 빈 조각과 합쳐서 하나의 큰 덩어리를 만듬
    - 손님 세명이 나가면, 주변에 남는 의자들과 합쳐 하나의 덩어리를 만듬
- 가변 분할 방식 처럼 메모리가 프로세스의 크기대로 나뉘며, 고정 분할 방식처럼 하나의 구역에 다른 프로세스가 들어 갈 수 없고 내부 단편화가 발생
- 비슷한 크기끼리 모이는 경우가 잦으므로, 메모리 통합이 쉬움
- 하지만, 작동 방식이 고정 분할 방식이 훨씬 단순하므로, 고정 분할 방식을 더 많이 사용하고 있음

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