[OS] 연속 메모리 할당

프로그램이 시작되기 위해서는 메모리에 올라와 있어야 한다. 따라서 메모리를 잘 관리하면 프로그램의 성능을 높여 CPU의 효율적인 사용과 빠른 응답성을 가능하게 한다.

초기 컴퓨터에 많이 사용되었던 방식이며, 현재는 비연속적 방식을 사용한다.

하지만 알아두면 시스템의 이해에 도움이 된다고 한다.

 

🧱메모리 관리 기법 종류

한 번에 몇개의 프로그램?

• 단일 프로그래밍
• 다중 프로그래밍 : 각 프로세스에게 얼마만큼의 메모리를 줄 것인가

 

메모리 분할 

• 고정(정적) 분할
• 가변(동적) 분할

 

메모리 관리 방식

• 적재 기법 : 프로세스에게 언제 메모리를 할당해 줄 것인가. 요구적재, 예상적재
• 배치 기법 : 프로세스들을 메모리 공간의 어디에 적재할 것인가.
• 교체 기법 : 메모리 공간이 부족할 경우 새로 적재돼야 할 프로세스를 위해 어떤 프로세스를 내보낼 것인가.
• 할당 기법 : 프로세스에게 메모리 공간을 얼마 정도로 줄 것인가.

👩단일 프로그래밍

한 번에 하나의 프로세스만이 메모리에 적재되고, 실행이 종료되면 다음 프로세스가 적재되는 시스템

• 관리가 용이하나, 커널과 해당 프로세스가 차지하는 그 외의 공간은 종료할 때까지 낭비된다. 다중 프로그래밍으로의 전환은 선택의 여지가 없었다.
• 메모리의 크기가 적재할 프로그램의 크기보다 크거나 같으면 -> 오버레이(Overlay)
• 프로그램의 실행 중 커널 영역을 침범하지 못하도록 하는 보호 기법 필요
  - 경계 레지스터에 커널과 프로그램 사이의 경계 주소 값을 넣어두고,
    프로그램을 실행하면서 참조하는 메모리 주소 값이 이 경계 값을 침범할 경우 트랩으로 실행을 중지시킨다.

 

👩🏻‍🤝‍🧑🏻 다중 프로그래밍 + 고정 분할

메모리를 여러 개의 분할로 나누어 놓고, 각 분할에는 하나의 프로세스를 수용하도록 하는 시스템

• 유연함은 복잡도를 동반함으로 관리가 쉽고 오버헤드가 적지만, 상황에 유연하게 대처할 수 없다,
• 가장 큰 분할보다 더 큰 프로그램의 수용 문제 -> 오버레이
• 메모리 보호는 사용자와 커널 사이 뿐 아니라 사용자와 사용자 사이에서도 필요하다. 현재 사용자와 위 아래 두 경계를 경계 레지스터에 기록하여 실행 도중 참조하는 메모리 주소가 이 값을 벗어나지 않도록 한다.
• 메모리 공간의 단편화 발생
  내부단편화: 고정된 크기로 정해져 있는 분할들에 프로세스를 수용하고 남는 공간
  외부단편화: 분할의 크기가 너무 작아서 프로세스들을 수용하지 못하고 분할 통째로 낭비된다.

🤼‍♂️ 다중 프로그래밍 + 가변 분할

분할의 시기, 개수 그리고 크기가 정해지지 않고 그 때마다 프로세스 크기만큼 메모리 공간을 할당해 주는 시스템

• 관리가 복잡해짐으로 인해 생기는 오버헤드는 감수해야 한다.
• 리스트 헤더포인터 user에는 프로세스, free에는 남는 공간을 연결 리스트로 잇는다.

A(10), B(20), C(15) 적재

C(15), A(10)의 메모리 반납/ D(50), E(10)의 적재 / B(20)의 반납

• free 노드 중 어떤 것을 선택할 것인가

• 최초적합 : free 리스트의 첫 노드부터 시작하여 제일 먼저 발견되는, 프로세스 크기보다 큰 노드를 할당해주고 탐색을 마친다.
  빠르나, 아주 작지도, 그렇다고 웬만한 크기의 프로세스를 적재할 만큼 크기 않은 사용되지 못하는 노드가 생긴다.
  그리고 이런 사용하지 못한는 노드가 앞에만 생긴다는 문제도 있다. 이 문제는 next-fit(: 순환 구조로 하여 선택될 때마다 헤더포인트를 옮긴다.) 로 해결할 수 있다.
• 최적접합 : free 리스트를 끝까지 탐색하여 요구되는 크기보다 크면서 차이가 가장 적게 나는 노드를 찾아 할당해준다. 남는 크기가 매우 작아 이후 적재에 거의 활용되지 못하는 홀(Hole)이 생긴다.
• 최악접합 : free 리스트를 끝까지 탐색하여 요구되는 크기보다 크면서 차이가 가장 많이 나는 노드를 찾아 할당해준다. 큰 빈공간을 확보하기 어렵다.
  
  =>빠른 최초적합 + 남는 공간 병합

• 남는 공간 병합

• Adjacent coalescing : 인접한 빈 공간을 합쳐 큰 빈 공간으로 만든다.

• Compaction : 빈 공간 전부의 통합. 모든 프로세스를 한 쪽으로 미뤄놓고 큰 빈 공간을 만든다. 통합이 진행되는 동안 모든 프로세스들의 실행이 중지되므로 상당한 시간이 요구되며 자원이 낭비된다.

• 고정 + 가변 버디시스템
  메모리를 2의 승수로 분할한다. 프로세스가 요구하는 크기와 가장 적게 차이가 나는 공간으로 분할해 배치된다. 반납 시 분할되었던 버디와 병합된다.

출처 : 김주균, 「OS? Oh Yes!」, 휴먼싸이언스