8장 Memory Management

 

reference: kocw의 반효경 교수님 강의와 권진욱 교수님 강의(대학 정규 수업)
수업을 듣고나서 강의 교재를 타이핑하고 필기한 부분을 추가적으로 정리하였습니다.
웹뷰에서 toc를 제공합니다.
github의 md 파일로 보는 게 편하시다면, 여기로 이동해주시면 됩니다.

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01 Logical vs Physical Address

Logical Address (Virtual Address)

• 프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간
• 각 프로세스마다 0번지부터 시작
• CPU가 보는 주소는 Logical Address

Physical Address

• 메모리에 실제 올라가는 위치

02 주소 바인딩 (Address Binding)

주소 바인딩: 주소를 결정하는 것

• Symbolic Address → Logical Address → Physical Address

컴파일 시: (엄밀하게 말하면 assembler에 의해) 논리적 주소를 갖는 실행 파일이 생성

실행시작 시: loader에 의해 physical address가 할당됨

Compile time binding

• 물리적 메모리 주소가 컴파일 시 이미 알려짐
• 시작 위치 변경시 재컴파일
• 컴파일러는 절대 코드(absolute code) 생성 - 절대 안 움직이니까

Load time binding

• loader의 책임하에 물리적 메모리 주소 부여
• 컴파일러가 재배치가능 코드 (relocatable code) 를 생성한 경우 가능 - 상대 주소는 고정되고, 절대 주소는 변경 가능

Execution time binding (Run Time Binding)

• 수행이 시작된 이후에도 프로세스의 메모리 상 위치를 옮길 수 있음
• CPU가 주소를 참조할 때마다 Binding을 점검 (Address Mapping Table - 300였는데 지금 안바꼈니 와 같이 물어봄)
• 하드웨어적인 지원이 필요
• (base limit registers, MMU)

03 Memory Management Unit (MMU)

Dynamic Relocation 시, Hardware Support for Address Translation

MMU (Memory Management Unit)

• Logical address를 Physical Address로 매핑해 주는 Hardware device

MMU Scheme

• 사용자 프로세스가 CPU에서 수행되며 생성해주는 모든 주소값에 대해 (cpu는 0번지에서부터 시작하는 logical address만 안다) Base Register (= Relocation Register)의 값을 더한다.

User Program

• Logical Address만을 다룬다.
• 실제 Physical Address를 볼 수 없으며 알 필요가 없다.

운영체제 및 사용자 프로세스 간의 메모리 보호를 위해 사용하는 레지스터

• Relocation Register (Base Register): 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최소값
• Limit Register: 논리적 주소의 범위
  • logical address < limit register를 만족하지 못하면 trap (software interrupt - exception 발생)
  • kernal이 보통 process를 kill하고 사용자에게 segmentation fault가 나서 프로그램이 끝났음을 알린다.

04 용어 정리

04-1 Dynamic Loading

• 프로세스 전체를 메모리에 미리 다 올리는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때 메모리에 load하는 것
• Memory Utilization의 향상
• 가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우 유용
  • ex) 오류 처리 루틴
• 운영체제의 특별한 지원 없이 프로그램 자체에서 구현 가능
  • OS는 라이브러리를 통해 지원 가능. 즉 OS 자체의 기능은 아님

* Loading: 메모리에 데이터를 올리는 것

여기서 말하는 Dynamic Loading은 운영체제가 하는 것이 아닌 프로그래머가 진행하는 것을 말함.

04-2 Dynamic Linking

• Linking을 실행 시간 (Execution Time)까지 미루는 기법
• Static Linking
  • 라이브러리가 프로그램의 실행 파일 코드에 포함됨
  • 실행 파일의 크기가 커짐
  • 동일한 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리므로 메모리 낭비
  • 예) printf 함수의 라이브러리 코드
• Dynamic Linking
  • 라이브러리가 실행시 연결됨
  • 라이브러리 호출 부분에 라이브러리 루틴의 위치를 찾기 위한 stub이라는 작은 코드를 둠
  • 라이브러리가 이미 메모리에 있으면 그 루틴의 주소로 가고 없으면 디스크에서 읽어옴
  • 운영체제의 도움이 필요

04-3 Overlays

• 메모리에 프로세스의 부분 중 실제 필요한 정보만을 올림
• 프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용
• 운영체제의 지원없이 사용자에 의해 구현
• 작은 공간의 메모리를 사용하던 초창기 시스템에서 수작업으로 프로그래머가 구현
  • Manual Overlay 라고도 부름
  • 프로그래밍이 매우 복잡

04-4 Swapping

• Swapping
  • 프로세스를 일시적으로 메모리에서 Backing Store로 쫓아내는 것
  • paging과 다르게 프로세스가 통째로 움직임.
• Backing Store (Swap area)
  • 디스크(disk): 많은 사용자의 프로세스 이미지를 담을 만큼 충분히 빠르고 큰 저장 공간
• Swap in / Swap out
  • 일반적으로 중기 스케쥴러(swapper)에 의해 swap out 시킬 프로세스 선정
  • priority-based CPU scheduling algorithm
    • 우선순위가 낮은 프로세스를 swapped out 시킴
    • 우선순위가 높은 프로세스를 메모리에 올려 놓음
  • Compile Time 혹은 Load time binding에서는 원래 메모리 위치로 swap in 해야 함
  • Execution time binding에서는 추후 빈 메모리 영역 아무 곳에나 올릴 수 있음
  • Swap Time은 대부분 Transfer time (swap 되는 양에 비례하는 시간)임

05 Allocation of Physical Memory

• 메모리는 일반적으로 두 영역으로 나뉘어 사용
  • OS 상주 영역: Interrupt Vector와 함께 낮은 주소 영역 사용
  • 사용자 프로세스 영역: 높은 주소 영역 사용
• 사용자 프로세스 영역의 할당 방법
  • Contiguous allocation
    • 각각의 프로세스가 메모리의 연속적인 공간에 적재되도록 하는 것
    • Fixed Partition Allocation - 고정 분할 방식
    • Variable Partition Allocation - 가변 분할 방식
  • Noncontiguous allocation
    • 하나의 프로세스가 메모리의 여러 영역에 분산되어 올라갈 수 있음
    • Paging
    • Segmentation
    • Paged Segmentation

이제부터 이 내용에 대해 훨씬 자세하게 살펴볼 것이다 !

이 목차를 기억하길 바란다.

06 Contiguous Allocation

06-1. 고정 분할(Fixed Partition) 방식과 가변 분할(Variable Partition) 방식

• 고정 분할(Fixed Partition) 방식
  • 물리적 메모리를 몇 개의 영구적 분할(partition)로 나눔
  • 분할의 크기가 모두 동일한 방식과 서로 다른 방식이 존재
  • 분할당 하나의 프로그램 적재
  • 융통성이 없음
    • 동시에 메모리에 load되는 프로그램의 수가 고정됨 (4개의 분할 → 동시에 최대 4개 프로그램 로드)
    • 최대 수행 가능 프로그램 크기 제한
  • Internal Fragmentation 발생 (External Fragmentation도 발생)
• 가변 분할(Variable Partition) 방식
  • 프로그램의 크기를 고려해서 할당
  • 분할의 크기, 개수가 동적으로 할당
  • 기술적 관리 기법 필요
  • External Fragmentation 발생

06-2. Fragmentation과 Hole

• fragmentation
  • External fragmentation (외부 조각)
    • 프로그램의 크기보다 분할의 크기가 작은 경우
    • 아무 프로그램에도 배정되지 않은 빈 곳인데도 프로그램이 올라갈 수 없는 작은 분할
  • Internal fragmentation (내부 조각)
    • 프로그램 크기보다 분할의 크기가 큰 경우
    • 하나의 분할 내부에서 발생하는 사용되지 않는 메모리 조각
    • 특정 프로그램에 배정되었지만 사용되지 않는 공간
• Hole
  • 가용 메모리 공간
  • 다양한 크기의 hole들이 메모리 여러 곳에 흩어져 있음
  • 프로세스가 도착하면 수용가능한 hole을 할당
  • 운영체제는 다음의 정보를 유지
    • 할당 공간
    • 가용 공간 (Hole)

둘은 비슷한데 뉘앙스가 다름

fragmentation은 쓰지 못하는 공간(메모리 낭비), hole는 쓸 수 있는 공간

06-3. Dynamic Storage Allocation Problem

가변 분할 방식에서 Size n인 요청을 만족하는 가장 적절한 hole을 찾는 문제

• First-fit
  • Size가 n이상인 것 중 최초로 찾아지는 hole에 할당
• Best-fit
  • Size가 n 이상인 가장 작은 hole을 찾아서 할당
  • Hole들의 리스트가 크기순으로 정렬되지 않은 경우 모든 hole의 리스트를 탐색해야함
  • 많은 수의 아주 작은 hole들이 생성됨
• Worst-fit
  • 가장 큰 hole에 할당
  • 역시 모든 리스트를 탐색해야 함
  • 상대적으로 아주 큰 hole들이 생성됨

실험적으로 first-fit이나 best-fit이 worst-fit보다 속도와 공간 이용을 측면에서 효과적인 것으로 알려짐

06-4. Compaction (뭉침)

• External Fragmentation 문제를 해결하는 한가지 방법
• 사용 중인 메모리 영역을 한군데로 몰고 hole들을 다른 한 곳으로 몰아 큰 block을 만드는 것
• Compaction은 프로세스의 주소가 실행 시간에 동적으로 재배치 가능한 경우에만 실시할 수 있다.
  • 즉, Execution time binding (=run time binding)에서 적용 가능
• 매우 비용이 많이 드는 방법임
• 최소한의 메모리 이동으로 compaction하는 방법은 매우 복잡한 문제

07 Paging

07-1. paging의 기본

Paging

• Process의 virtual memory (logical memory)를 동일한 사이즈의 page 단위로 나눔
• Virtual Memory의 내용이 Page 단위로 noncontiguous하게 저장됨
• 일부는 backing storage에, 일부는 physical memory에 저장

Basic Method

• physical memory를 동일한 크기의 frame으로 나눔
• logical memory를 동일 크기의 page로 나눔
• 모든 가용 프레임들을 관리
• page table을 사용하여 logical address를 physical address로 변환
• external fragmentation 발생 안함 (page와 frame 사이즈가 같기에 어디든 넣을 수 있음)
• internal fragmentation 발생 가능 (마지막으로 잘린 페이지는 모든 공간을 사용하지 않을 수 있음)

07-2. Address Translation

page number를 frame number로 변환하여 physical address 계산을 하여 접근할 수 있다.

• CPU <page number (p), page offset (d)> 이 두 가지로 구성된 virtual address를 사용한다.
  • page number (p)
    • page table의 index로 사용
    • 해당 index에는 그 페이지의 물리적 메모리 상의 base address가 저장됨
  • page offset (d)
    • base address 와 더해져서 physical address 가 구해짐

07-3. Implementation of Page Table

• page table은 main memory에 상주
• Page-Table Base Register (PTBR)가 Page Table을 가리킴
• Page-Table Length Register (PTLR)가 테이블 크기를 보관
• 모든 메모리 접근 연산에는 2번의 memory access 필요
  • Page Table 접근 1번 + 실제 data/Instruction 접근 1번
• 속도 향상을 위해 associative register 혹은 translation lock-aside buffer(TLB)라 불리는 고속의 lookup hardware cache 사용

Associative registers (TLB) : parallel search가 가능

• TLB에는 page Table 중 일부만 존재
• TLB의 Address Translation
  • page table 중 일부가 associative register에 보관되어 있음
  • 만약 해당 page num가 associative register에 있는 경우 곧바로 frame # num을 얻음
  • 그렇지 않은 경우 main memory에 있는 page table로 부터 frame # num을 얻음
  • TLB는 context switch 때 flush (remove old entries)

07-4. Effective Access Time

Associative register lookup time = e

memory cycle time = 1

Hit ratio = a (associative register에서 찾아지는 비율)

Effective Access Time = (1 + e)a + (2 + e)(1 - a)

---> 2 + e - a

07-5. 2 Level page table

page table을 위한 공간을 줄이기 위해 사용 

현대의 컴퓨터는 address space가 매우 큰 프로그램을 지원

• 32 bit address 사용시 → 2^32 (4GB)의 주소 공간
  • Page Size가 4K (2^(2+10))시 1M (2^20)개의 page table entry가 필요
  • 각 page entry가 4B 시 프로세스 당 (page table entry 수 * page entry size) 4M 의 page table 필요
  • 그러나 대부분의 프로그램은 4G의 주소 공간 중 지극히 일부분만 사용하기 때문에 page table 공간이 심하게 낭비됨

→ 페이지 테이블 자체를 페이지로 구성

→ 사용되지 않는 주소 공간에 대한 outer page table의 엔트리 값은 NULL (대응하는 inner page table이 없음)

 

 

예시 

• p1은 outer page table의 index(page number)이고
• p2는 outer page table의 page에서의 변위(displacement) (page offset)

Multilevel Paging and Performance

• Address Space가 더 커지면 다단계 페이지 테이블 필요
• 각 단계의 페이지 테이블이 메모리에 존재하므로 Logical address의 physical address 변환에 더 많은 메모리 접근 필요
• TLB를 통해 메모리 접근 시간을 줄일 수 있음
• 4단계 페이지 테이블을 사용하는 경우
  • 메모리 접근 시간이 100ns, TLB 접근 시간이 20ns, hit ratio가 98%인 경우
    • effective memory access time = 0.98 * 120 + 0.02 * 520(=(4+1)*100ns+20ns) → 128ns
    • 결과적으로 주소변환을 위해 28ns만 소요

07-7. Memory Protection

Page Table의 각 entry마다 아래의 bit를 둔다.

• Protection bit
  • Page에 대한 접근 권한 (read/write/read-only)
• Valid-invalid bit
  • valid는 해당 주소의 frame에 그 프로세스를 구성하는 유효한 내용이 있음을 뜻함 (접근 허용)
  • invalid는 해당 주소의 frame에 유효한 내용이 없음을 뜻함 (접근 불허)
    • 프로세스가 그 주소 부분을 사용하지 않는 경우
    • 해당 페이지가 메모리에 올라와 있지 않고 swap area에 있는 경우

07-8. Inverted Page Table

Page Table이 매우 큰 이유

• 모든 process 별로 그 logical address에 대응하는 모든 page에 대해 page table entry가 존대
• 대응하는 page가 메모리에 있든 아니든 간에 page table에는 entry로 존재

Inverted Page table

• Page frame 하나당 page table에 하나의 entry를 둔 것 ( system - wide )
• 각 page table entry는 각각의 물리적 메모리의 page frame이 담고 있는 내용 표시 (process-id, process의 logiscal address)
• 단점 : 테이블 전체를 탐색해야함
• 조치 : associative register 사용 (expensive)

07-9. Shared Page

Shared code

• Re-entrant Code (=Pure code) : 아래의 두 조건을 만족해야함
  • read only로 하여 프로세스 간에 하나의 code만 메모리에 올림
  • Shared code는 모든 프로세스의 logical address space에서 동일한 위치에 있어야 함

Private Code and Data

• 각 프로세스들은 독자적으로 메모리에 올림
• Private data는 logical address space의 아무곳에 와도 무방

08 Segmentation

08-1. Segment

프로그램은 의미 단위인 여러 개의 segment로 구성 (↔ page는 동일한 크기 단위)

• 작게는 프로그램을 구성하는 함수 하나하나를 세그먼트로 정의
• 크게는 프로그램 전체를 하나의 세그먼트로 정의 가능
• 일반적으로는 code, data, stack 부분이 하나씩의 세그먼트로 정의됨
  • 프로세스는 메모리 공간이 code, data, stack으로 나누어져 있음.

segment는 다음과 같은 logical unit 들임. 다양한 크기와 묶는 방법이 있을 수 있음.

• main(), function, global variables, stack, symbol table, arrays

08-2. Segmentation Architecture

• 💛 논리적 주소는 segment-number (2번 segment), offset (100번지) 으로 구성됨
• 💛 Segment table
  • each table entry has:
    • limit: length of the segment (2번 segment의 size)
    • base: starting physical address of the segment (2번 segment의 physical 시작 번지)
• 💛 segment table base register (STBR)
  • 물리적 메모리에서의 segment table의 위치
• 💛 segment table length register (STLR)
  • 프로그램이 사용하는 segment의 수
  • segment number s is legal if s < STLR.
  • 왜 동등이 아니냐? segment 개수가 5개 (STLR = 5)일 때, s는 0~4 값이 가능

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*** segment의 길이가 동일하지 않으므로 가변분할 방식에서와 동일한 문제점들이 발생한다.

• 💛 Allocation
  • first-fit / best fit
  • 단점: external fragementation 발생

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*** segment는 의미 단위이기 때문에 공유와 보안에 있어 paging보다 훨씬 효과적이다.

• 💛 Protection
  • 각 세그먼트 별로 protection bit가 있음 -
  • Each entry:
    • Valid bit = 0 → illegal segment
    • Read/Write/Execution 권한 bit
• 💛 Sharing
  • shared segment
  • same segment number

08-3. Segmentation with Paging

큰 틀은 segment로 나눴는데, segment 안을 page로 나눈 방식이다.

pure segmentation 과의 차이점

• segment-table entry가segment를 구성하는 page table의 base address를 가지고 있음
• segment의 base address를 가지고 있는 것이 아니라

장점

• segment가 4K 배수만큼 움직이기 때문에 fragmentation이 줄어듦.

단점

• 복잡한 구조(logic) → bug 가능성이 증가하고 메모리 크기에 영향
• fragmentation이 발생하긴 함

<위의 그림 설명>

segment number과 offset(d)를 cpu가 요청하면

STBR의 값을 이용하여 segment table에 접근해서 요청한 segment number의 제한(길이)과 page-table의 base 값을 알아낸다.

(segment table에 STBR + segment number로 접근했듯이 page-table의 base 값을 알아낸 것이다. 그리고 각 segment는 다른 page table을 참조한다는 것을 알 수 있다.)

offset은 해당 segment의 limit과 비교한 후 legal하다면 (segment의) offset를 다시 page number와 sub-offset 번호로 나눈다.

page table의 base 값에 page number을 더해 찾게 된 frame과 sub-offset 으로 원하는 메모리에 접근할 수 있게 된다.

 

정리하자면, segment number로 segment table을 통해 원하는 페이지 테이블을 찾는다.

offset으로 몇 번째 page(frame), 어디에 존재하는지 알아낸다.