Memory Management(1)

Synchronization, Deadlock 에서는 프로세스의 자원 공유에 관해 다뤘다면, 이번 글에서는 메모리 공유에 대해 다룬다.

Memory Management Backgrounds

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Address Space

• 운영 체제가 생성하는 physical memory의 추상체가 Address Space이다.
• Program Code, Heap, Stack영역으로 구분된다.
  • Program Code : 명령어들이 위치하는 공간
  • Heap : 동적 할당 메모리, C언어에서의 malloc, Java계열에서의 new로 할당되는 공간
  • Stack : return address, value등이 위치하는 공간.
    • value에는 local variable, arguments가 있다.
• Address Space는 Address Translation Mechanism을 통해 physical memory로 할당된다.

Memory Virtualization

• Virtual Address
  • 모든 실행 중인 프로그램의 주소는 virtual이다.
  • 운영 체제(CPU)는 virtual address를 physical address로 변환하는 동작을 한다.
  • virtual address는 logical address라고도 하며, physical address로 bound된다.
  • virtual address와 physical address는 컴파일 타임및 load-time에는 같은 의미를 지닌다.
  • 프로그램 실행 시 virtual address와 physical address의 binding이 일어난다.
    • 당연히 프로그램 실행 시에는 두 주소값의 차이가 있다.
• Memory Virtualization
  • 운영 체제는 각각의 프로세스마다 가상 메모리 공간을 부여한다.
  • 이를 통해 각각의 프로세스는 메모리 공간 전체를 사용하는 것처럼 보인다.
• Memory Virtualization을 통해 Transparency, Efficiency, Protection을 기대할 수 있다.
  • Transparency : 프로세스는 메모리가 공유되고 있다는 사실을 고려하지 않는다.
  • Efficiency : 단편화(fragmentation) 문제를 최소화 할 수 있다.
  • Protection : 다른 프로세스 및 OS가 메모리 공간을 침범하는 것을 방지한다. 마찬가지로, 프로세스가 다른 프로세스에 영향을 미치며 종료되지 않도록 한다. 협력 프로세스의 경우에는 일부 메모리를 공유할 수 있다.

Static Relocation

• Software-based relocation이다.
• context switching에 의해 프로그램이 binding되는 physical address의 주소가 바뀔 수 있다.
• 이때 Memory Space를 통재로 다른 physical address에 relocate하는 것이 static relocation이다.
• 하드웨어의 지원이 없어도 된다는 장점이 있다.
• 하지만 아래와 같은 단점이 존재한다.
  • 의도치 않게 다른 프로세스의 메모리를 읽을 수 있다.
  • OS를 포함한 다른 메모리 영역을 침범할 수 있다.
  • External Fragmentation(외부 단편화)이 발생하여 메모리가 낭비될 수 있다.

Dynamic Relocation

• Hardware-based relocation이다.
• MMU(Memory Management Unit)가 모든 메모리 참조 명령어에 대해 address translation을 수행한다.
• 하드웨어에 의해 protection이 강제된다.
  • 만약 virtual address가 유효하지 않다면, MMU에서 예외 처리를 한다.
  • 이는 운영 체제가 MMU에 유효한 virtual address에 대한 정보를 넘겨주기 때문에 가능하다.
• MMU의 구조에 대해 간단히 살펴보자
  • reallocation register는 base register라고도 한다.
  • 위 도식에서 확인할 수 있듯이, 유저 프로그램은 오직 logical address에 대해서만 관여하고, physical address에는 접근하지 않는다. 실제로 physical address에 대한 정보도 알 수 없다.
  • 이 모든 과정은 실행 시간(execution time)에 일어난다.
• MMU는 운영 체제에서 가장 중요한 역할 중 하나인 프로세스 보호(운영체제, user processes)를 수행한다.
  • 이를 수행하기 위해 base register와 limit register를 사용한다.
  • base register에는 프로세스 메모리의 시작 주소가 저장되어 있다.
  • limit register에는 프로세스 메모리의 크기가 저장된다.
  • 즉, base register value ~ base register value + limit register value 가 프로세스가 할당된 공간을 의미한다.
  • 위와 같은 레지스터를 활용하여 하드웨어 레벨에서 메모리에 할당된 각각의 프로세스가 서로의 영역을 침범하지 않게 한다.
    • 위 그림에서 bound register는 limit register를 의미한다.

OS Issues for Memory Virtualizing

• 운영 체제는 base-and-bound접근을 구현하도록 동작해야 한다.
  • bound register와 limit register를 사용하는 접근을 의미한다.
• 구체적으로는 아래와 같은 동작을 수행해야 한다.
  1. 프로세스가 실행될 때 physical memory의 Free Space를 찾아야 한다.
     • 사용중이지 않은 physical memory공간을 저장하는 free list를 이용한다.
  2. 프로세스가 종료될 때 physical memory에 대한 해제가 필요하다.
     • free list에 사용했던 메모리 공간을 추가해야 한다.
  3. context-switch가 일어날 때 base-bound pair를 저장해야 한다.
     • PCB(process control block)에 해당 base-bound pair를 저장해야 한다.

Dynamic Loading

• Dynamic Loading이란 호출될 때까지는 data를 loading하지 않고 있다가 호출 되면 load하는 것이다.
  • 메모리 공간의 utilization을 높일 수 있다.
  • 특히 대용량의 코드가 빈번하지 않게 처리될 경우에 유용하다.
  • 운영 체제의 지원이 필요 없다. 프로그램 디자인을 통해 구현 가능하다.
• Dynamic Loading에 의해 Linking역시 execution time 까지 연기된다.
  • 이것을 Dynamic linking이라 한다.
  • stub코드를 사용하여 구현한다.
  • 특히 라이브러리를 사용할 때 유용하다.
  • 이러한 라이브러리의 사용을 공유 라이브러리(shared libraries)라고 한다.

Swapping

• Swapping이란 backing store(HDD, SSD)와 main memory간에 프로세스를 교체하는 것을 말한다.
  • main memory 에서 backing store로 가는 것을 swap out이라고 한다.
  • backing store에서 main memory로 오는 것을 swap in이라고 한다.
  • swap in을 통해 프로세스는 연속적으로 실행될 수 있다.
• Swaping의 핵심은 전송 시간이다.
  • backing store의 write/read속도가 매우 느리기 때문에 swap되는 정보량에 따라 전송 시간이 차이난다.
  • 결국 swap을 최소화 하는 것이 핵심이다.
• Swapping의 특징으로는 아래와 같은 것들이 있다.
  • 운영 체제의 지원이 필요 없다.
  • 프로그래머가 직접 코드나 데이터를 필요에 의해 옮기는 것이 가능하다.
• Swapping은 process level swapping과 page level swapping이 있다.
  • process level swapping에서는 프로세스가 main memory와 backing store간에 swapping된다.
  • page level swapping에서는 page단위로 swapping된다.
• process level swapping은 전체 프로세스가 swapping되므로 시간이 많이 소모된다.
• page level swapping은 swapping에 대한 예측이 가능하다는 장점이 있다.