[OS] Memory Management

William Stallings의 『Operating Systems, Internals and Design Principles (9th Ed.)』 을 토대로 작성하였음.

👑 Memory Management

오늘날의 Multiprogramming system에서는 여러 프로세스를 이용하기 위해 메인 메모리를 나누어

사용해야 할 필요가 있다. 적은 프로세스만이 메모리에 로드되어 있다면, CPU의 자원이 낭비되는

시간이 길어져 자원을 효율적으로 활용할 수 없다. 따라서 OS는 여러 프로세스를 메모리에 수용하기

위해 동적으로 메모리를 세분화하는 작업을 수행하며, 이를 Memory Management라 부른다.

운영 체제가 메모리를 어떻게 관리하는지를 알기 위해서는 다음의 개념들에 대해 알아야 할 필요가 있다.

Relocation

• Multiprogramming 환경에서는 수많은 프로세스들이 한정된 메모리 공간을 사용한다.

• 사용자는 어떤 프로그램이 메모리의 어떤 위치에 로드되는지를 알 수 없으며, 메모리 공간이 부족할 경우
  swap 역시 빈번하게 일어나기에 특정 위치에 특정 프로그램을 로드할 수는 없다.

• 따라서, 프로그램이 메모리의 어느 위치에서든 올바르게 실행될 수 있도록 보장해야 하며, 프로세스의
  주소를 옮기는 작업을 relocation이라 한다.

Protection

• Protection이란 시스템 내에서 프로세스 간의 상호 간섭을 방지하기 위한 메커니즘이다.

• 각 프로세스는 자신의 메모리 주소에만 접근해야 하며, 특정 프로세스가 다른 프로세스의 메모리 영역을
  손상시키지 못하도록 보장되어야만 한다.

Sharing

• Sharing은 여러 프로세스가 동일한 메모리 영역을 공유하는 것을 의미한다.

• 만약 여러 개의 프로세스가 같은 프로그램을 실행시킨다면, 프로세스의 수만큼 메모리 공간을 차지하는
  것은 효율적이지 못하다.

• 따라서, 리소스 사용의 효율성을 높이기 위해 shared memory를 사용하는 것이 바람직하다.

👑 Memory Partitioning

Memory Partitioning은 컴퓨터 시스템에서 사용 가능한 메모리를 여러 영역(파티션)으로 분할하는

것을 말한다. Memory Partitioning은 시스템의 리소스를 최적으로 활용하고 효율적으로 관리하기

위해 사용되며 여러 가지 방법이 존재한다.

💡 Fixed Partitioning

• 메모리를 사전에 정의된 크기의 고정된 파티션으로 분할하는 메모리 관리 기법이다.

• 파티션의 개수가 정해져 있기 때문에 실행 가능한 프로세스의 개수 역시 제한된다.

• 내부 단편화 (Internal Fragmentation) 문제가 발생할 수 있다.

  • 파티션의 크기보다 작은 프로그램이 해당 파티션에 할당될 경우, 남은 공간을 활용할 수 없다.

💡 Dynamic Partitioning

• 동적 파티셔닝은 메모리를 프로세스의 크기에 따라 동적으로 나누는 메모리 관리 기법이다.

• 프로세스가 요청하는 메모리 크기에 따라 새로운 파티션이 생성되거나 기존의 파티션이 확장될 수 있다.

• 내부 단편화는 발생하지 않지만, 외부 단편화 (External Fragmentation) 문제가 발생할 수 있다.

• 이를 해결하기 위해, 적절하게 memory compaction을 해주어야 한다.

동적 파티셔닝에서 빈 메모리 공간을 할당하는 방법에는 여러 가지가 있다.

First-fit Algorithm

• 가용한 파티션 중에서 가장 처음으로 발견되는 충분한 크기의 파티션을 선택하여 할당하는 방법이다.

• 가장 간단하고 빠르게 작동하지만, 메모리 파티션을 순회하면서 첫 번째로 맞는 파티션을 찾기
  때문에 외부 단편화 문제를 유발할 수 있다.

Best-fit Algorithm

• 가장 작은 크기의 충분한 파티션을 선택하여 할당하는 방법이다.

• 파티션을 찾는 데 오래걸리기 때문에 성능이 가장 안좋다.

• memory compaction이 자주 발생하게 된다.

Worst-fit Algorithm

• 사용 가능한 공간들 중에서 가장 큰 것을 선택하여 할당하는 방법이다.

• best-fit 방법만큼이나 성능이 좋지 않다.

Next-fit Algorithm

• 최근에 할당된 위치에서부터 시작하여, 다음 충분한 크기의 파티션을 선택하여 할당하는 방법이다.

💡 Buddy System

• 동적 파티셔닝의 일종으로, 메모리를 크기가 2의 거듭제곱인 블록으로 나누어 관리하는 방법이다.

• 메모리는 크기가 2의 거듭제곱인 블록으로 분할된다.
  예를 들어, 1024KB의 메모리는 512KB, 256KB, 128KB 등의 블록으로 나누어진다.

• 크기가 s인 요청이 들어오면, $ 2^{U-1} < s \leq 2^{U} $ 와 같은 방법으로 블록을 결정한다.

• 각 블록은 두 개의 buddy 블록으로 나뉜다. (256KB -> 128KB + 128KB)

• 메모리 블록이 해제되면, 해당 블록의 버디 블록이 비어 있는지 확인하고, 버디 블록이
  비어 있다면, 두 블록을 다시 병합한다.

• 메모리 블록 크기가 2의 거듭제곱이기 때문에, 요청된 크기보다 큰 블록이 할당될 경우
  내부 단편화 (Internal Fragmentation)가 발생할 수 있다.

👑 Memory Address

메모리 주소에는 여러 종류가 있으며, 컴퓨터 시스템에서 각기 다른 목적을 위해 사용된다.

주로 사용되는 메모리 주소의 종류는 다음과 같다.

Physical Address = Absolute Address

• 실제 하드웨어 메모리(RAM)에서의 위치를 나타내는 주소이다.

• CPU가 메모리에 접근할 때 사용하는 실제 주소이다.

• 물리적 주소는 메모리 관리 장치(MMU, Memory Management Unit)에 의해
  가상 주소로 변환된다.

Logical Address

• 프로그램이 생성되는 동안 컴파일러나 어셈블러에 의해 생성된 주소이다.

• 즉, 응용 프로그램 관점에서의 주소라고 볼 수 있다.

• logical address를 physical address로 바꾸는 과정이 필요하다.

Virtual Address

• 가상 메모리 시스템에서 프로세스가 사용하는 주소 공간이다.

• Virtual Memory에서 사용하는 Logical Address이다.

Relative Address

• 기준점(base address)으로부터의 상대적인 위치를 나타내는 주소이다.

• 프로그램 코드에서 종종 사용되며, 기준점은 프로그램의 시작 주소가 될 수 있다.

💡 Address Binding

Address Binding이란 프로그램의 논리적 주소를 물리적 주소로 변환하는 과정이다.

프로그램이 메모리에 로드되어 실행될 때, 논리적 주소(코드에서 사용하는 주소)는

물리적 주소(실제 메모리의 주소)로 변환되어야 한다.

주소 바인딩은 프로그램의 생애 주기 동안 다양한 시점에 발생할 수 있으며, 이를 크게

세 가지로 나눌 수 있다. (Compile time, Load time, Execution time)

🚩 Compile time binding

• 주소 바인딩이 컴파일 시점에 이루어진다.

• 즉, 프로그램이 컴파일될 때 모든 변수와 명령어에 대해 실제 물리적 주소가 할당된다.

• 프로그램이 항상 같은 메모리 위치에 로드되어야 하는 문제점이 있다.

• 물리적 메모리 위치를 변경하려면 컴파일을 다시 해야한다.

🚩 Load time binding

• 프로그램이 메모리에 로드될 때 주소 바인딩이 이루어진다.

• 컴파일된 프로그램은 relocatable 형태로 저장되며, 실제 메모리 위치는 프로그램이
  실행될 때 결정된다.

• 프로그램이 종료될 때까지 물리적 메모리 상의 위치가 고정된다.

🚩 Execution time binding

• 프로그램이 실행되는 동안 주소 바인딩이 이루어진다.

• 즉, 실행 중에 동적으로 주소 변환이 이루어진다.

• base register, limit register, MMU 등의 하드웨어가 필요하다.

Base Register

• 프로세스의 시작 주소를 가지고 있다.

• 베이스 레지스터의 값은 각 프로세스가 실제 물리 메모리에서 어느 위치에 로드되었는지를 나타내므로,
  논리 주소를 물리 주소로 변환할 때 사용한다.

Limit Register = Bound register

• 프로세스가 사용할 수 있는 메모리 범위를 지정한다.

• 프로세스가 접근할 수 있는 메모리의 최대 크기를 정의하여, 프로세스가 할당된 메모리 범위를
  벗어나지 않도록 한다.