[운영체제] 물리 메모리 관리

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메모리의 이해

메모리의 구조는 1 바이트 크기로 나뉜다. 1바이트로 나뉜 각 영역은 주소로 구분되는데 보통 0번지부터 시작한다. CPU는 메모리에 있는 데이터를 가져오거나 작업 결과를 메모리에 저장하기 위해 주소를 사용한다.
 

💡 메모리에 있는 데이터를 CPU로 가져오는 과정

먼저, CPU가 접근하려는 메모리 주소를 메모리 주소 레지스터(MAR)에 넣으면 해당 주소가 주소 버스를 통해 메모리에 전달된다. 메모리에서는 해당 주소의 값을 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터(MBR)로 보낸다. MBR에 있는 데이터가 레지스터로 옮겨지면 메모리 접근 작업이 끝난다.

 

메모리 관리 작업

메모리 관리는 운영체제를 비롯해 여러 작업을 동시에 처리할 때 메모리를 어떻게 관리하는 가에 관한 문제다. 이러한 메모리 관리는 메모리 관리 시스템(MMS: Memory Management System)이 담당한다. 일괄 처리 시스템에서는 한 번에 한 가지 작업만 처리했기 때문에 메모리 관리가 어렵지 않았지만, 현대의 시분할 시스템에서는 운영체제를 포함한 모든 응용 프로그램이 메모리에 올라와 실행되기 때문에 메모리 관리가 복잡하다.
 
메모리 관리 작업은 크게 가져오기(Fetch), 배치(Placement), 재배치(Replacement)로 구분된다.
 
메모리 가져오기(Fetch)
실행할 프로세스와 데이터를 메모리로 가져오는 작업이다. 어떤 상황에서는 데이터의 일부만 가져와 실행하기도 한다.
 
메모리 배치(Placement)
가져온 프로세스와 데이터를 메모리의 어떤 부분에 올려놓을지 결정하는 작업이다. 배치 작업 전에 메모리를 어떤 크기로 자를 것인지가 매우 중요하다. 이렇게 나뉜 메모리의 구역에 따라 프로세스와 데이터를 어떤 위치에 놓을지 결정하는 것이 바로 배치 작업이다. 메모리를 같은 크기로 자르는 것을 페이징(Paging)이라고 하고, 프로세스의 크기에 맞게 자르는 것을 세그먼테이션(Segmentation)이라고 한다.
 
메모리 재배치(Replacement)
꽉 찬 메모리에 새로운 프로세스를 가져오기 위해 오래된 프로세스를 내보내는 작업을 재배치 작업이라고 한다.
 
 

메모리 주소

32bit CPU, 64bit CPU와 같이 CPU의 비트는 메모리 주소 공간의 크기와도 연관이 있다. 32bit CPU의 경우 메모리 주소를 지정하는 레지스터인 MAR의 크기가 32bit이므로 메모리를 최대 4GB까지 사용할 수 있다. 반면, 64bit CPU의 경우에는 거의 무한대에 가까운 메모리를 사용할 수 있다. 이때, 하드웨어 입장에서 바라본 메모리 주소 공간을 물리 주소 공간이라고 하고, 사용자 입장에서 바라본 주소 공간을 논리 주소 공간이라고 한다.
 

물리 주소와 논리 주소

만약, 아래 코드가 문자 A를 메모리 주소의 40번지에 넣는 기계어 코드로 번역이 되었다고 가정해 보자.

char alp = 'A';

 
중요한 것은 실제로는 물리 메모리, 즉 컴퓨터 내에 물리적으로 설치된 메인 메모리의 40번지에 A가 들어가는 것이 아니라는 점이다. 위 코드를 실행하는 프로그램이 메모리에 올라오면 이 프로그램을 위한 메모리 공간은 물리 메모리의 운영체제 영역을 제외한 빈 공간에 배치된다. 이때, 이 프로그램의 물리 메모리의 시작 주소는 500번지 일 수도 있고 600번지일 수도 있다. 이는 프로그램이 실행될 때마다 시작하는 물리 주소가 매번 바뀐다는 것을 의미한다.
 
만약, 물리 메모리의 시작 주소가 360번지라고 가정했을 때, 40번지는 물리 메모리의 주소 400번지가 된다. 그러므로, 40번지는 사용자 프로세스 입장에서 바라본 논리 주소이다.
 

 
프로세스가 사용하는 논리 주소는 논리 주소 공간에 있다. 논리 주소 공간은 항상 0번지부터 시작하며 컴퓨터가 허용하는 최대의 주소 크기를 가진다. 컴파일러는 논리 주소 공간의 0번지부터 변수들을 배치한다. 물리 주소 공간도 0번지부터 시작하지만 최대 주소 크기는 컴퓨터에 설치된 메인 메모리 크기에 따라 달라진다.
 
논리 주소로 이루어진 프로세스를 실행하면 이를 물리 주소로 변환하는 작업이 필요하다. 이 작업은 메모리 관리 유닛(MMU: Memory Management Unit)이 담당한다.
 

 
다음은 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 과정을 나타낸 그림이다.
 

 
사용자 프로세스가 논리 주소 40번지에 있는 데이터를 요청하면 CPU는 MMU에게 40번지에 있는 내용을 가져오라고 명령한다. MMU는 재배치 레지스터를 사용하여 물리 메모리 주소 400번지에 저장된 데이터를 가져온다. 이때, 재배치 레지스터는 주소 변환의 기본이 되는 주소 값을 가진 레지스터로, 사용자 프로세스의 물리 메모리 시작 주소 값이 저장된다. 따라서, 만약 사용자 프로세스의 물리 메모리 시작 주소 값이 바뀌면 재배체 레지스터에도 바뀐 시작 주소 값이 들어간다.
 
 

단일 프로그래밍 환경의 메모리 할당

단일 프로그래밍 환경이었던 과거에는 메인 메모리가 값비싼 장치였기 때문에 큰 메모리를 사용할 수가 없었다. 따라서 작은 메모리로 어떻게 큰 프로그램을 작동할 것인가가 문제였다.
 
이때 등장한 것이 바로 메모리 오버레이(Memory Overlay)이다. 메모리 오버레이란 전체 프로그램을 메모리에 가져오는 대신 프로그램을 몇 개의 모듈로 나누고 필요할 때마다 모듈을 메모리로 가져오는 기법을 말한다. 메모리 오버레이에서 어떤 모듈을 가져오거나 내보낼지는 CPU 레지스터 중 하나인 프로그램 카운터(PC)가 결정한다. 프로그램 카운터는 앞으로 실행할 모듈이 메모리에 없으면 메모리 관리자에게 요청하여 가져오게 한다.
 
메모리 오버레이를 사용하면 만약 공간이 다 찬 메모리에 모듈 B를 가져올 때 먼저 메모리에 올라온 모듈 A를 어딘가에 보관해야 한다. 이처럼 메모리의 공간이 모자라서 쫓겨난 프로세스를 저장장치의 특별한 공간에 모아두는 영역을 스왑 영역(Swap Area)라고 한다. 참고로 이렇게 프로세스가 스왑 영역에 있는 상태를 보류 상태라고 한다. 스왑 영역에서 메모리로 데이터를 가져오는 작업을 Swap In, 메모리에서 스왑 영역으로 데이터를 보내는 작업을 Swap Out이라고 한다. 이때, 스왑 영역은 저장장치 관리자가 아닌 메모리 관리자가 관리한다. 따라서, 사용자는 메인 메모리의 전체 크기를 실제 메모리와 스왑 영역의 크기를 합쳐서 인식한다.
 

 

멀티프로그래밍 환경의 메모리 할당

단일 프로그래밍 환경이었던 과거와 달리 현대의 운영체제는 멀티프로그래밍 환경, 즉 한 번에 여러 프로세스가 실행되는 구조의 메모리 문제를 해결해야 한다. 각 프로세스들의 크기가 달라 프로세스마다 메모리를 어떻게 나누어 사용할 것인지가 가장 큰 문제이다.
 
메모리를 어떤 크기로 나눌 것인가는 메모리 배치 정책에 해당한다. 메모리에 여러 개의 프로세스를 배치하는 방법은 크게 가변 분할 방식(Variable-Size Partitioning)과 고정 분할 방식(Fixed-Size Partitioning)으로 나뉜다. 이외에도 버디 시스템(Buddy System)이라는 것이 존재한다.
 

 

가변 분할 방식

가변 분할 방식은 프로세스의 크기에 따라 메모리를 나누는 방식이다. 가변 분할 방식에서는 한 프로세스가 메모리의 연속된 공간에 배치되기 때문에 연속 메모리 할당(contiguous memory allocation), 또는 세그먼테이션(Segmentation) 메모리 관리 기법이라고 한다. 물리 메모리에서 하나의 프로세스에 해당하는 주소 공간이 연속적으로 이어지기 때문이다.
 
가변 분할 방식의 장점은 프로세스를 한 덩어리로 처리하여 하나의 프로세스를 연속된 공간에 배치할 수 있다는 점이다. 그러나 메모리의 빈 공간이 불연속적으로 생길 수 있어 이에 대한 메모리 통합등의 부가적인 작업이 필요하므로 메모리 관리가 복잡하다는 단점이 존재한다. 이렇게 불연속적인 빈 공간을 단편화(Fragmentation)라고 한다. 가변 분할 방식에서 발생하는 단편화는 프로세스의 바깥쪽에 위치하기 때문에 외부 단편화(External Fragmentation)라고 한다.
 

 
외부 단편화로 인한 문제를 해결하기 위해 메모리 배치 방식이나 조각 모음(Defragmentation)을 사용한다. 메모리 배치 방식은 작은 조각이 발생하지 않도록 프로세스를 배치하는 것으로 선처리에 해당하고 조각 모음은 조각이 발생했을 때 작은 조각들을 모아서 하나의 큰 덩어리로 만드는 작업으로 후처리에 해당한다.
 
메모리 배치 방식
대표적인 메모리 배치 방식으로는 최초 배치(First Fit), 최적 배치(Best Fit), 최악 배치(Worst Fit)가 있다.

최초 배치
단편화를 고려하지 않는 방식으로, 프로세스를 메모리의 빈 공간에 배치할 때 메모리에서 적재 가능한 공간을 순서대로 찾다가 첫 번째로 발견한 공간에 프로세스를 배치하는 방법이다. 빈 공간을 찾아다닐 필요가 없다는 장점이 존재한다.

최적 배치
메모리의 빈 공간을 모두 확인한 후 크기가 가장 비슷한 곳에 프로세스를 배치하는 방법이다. 빈 공간을 모두 확인하는 부가적인 작업이 들어가지만 딱 맞는 공간을 찾을 경우 단편화가 일어나지 않는다. 그러나 딱 맞는 공간이 없을 때는 아주 작은 조각을 만들어내어 이 공간은 버려질 가능성이 크다는 단점이 있다.

최악 배치
빈 공간을 모두 확인한 후 가장 큰 공간에 프로세스를 배치하는 것으로 최적 배치와 정반대 되는 방법이다. 프로세스를 배치하고도 남은 공간이 크기 때문에 남은 공간이 쓸모가 있다는 장점이 있다. 하지만, 빈 공간의 크기가 점점 줄어들면 결국 최적 배치처럼 작은 조각을 만들어내므로 효과가 떨어진다.

 
조각 모음
서로 떨어져 있는 여러 개의 빈 공간을 합치는 작업으로, 메모리 통합이라 부르기도 한다.
 

 
조각 모음은 다음과 같이 진행된다. 먼저 조각 모음을 하기 위해 이동할 프로세스의 동작을 멈추고 해당 프로세스의 논리 주소 값을 바꿔 적당한 위치로 이동시키고 프로세스를 다시 시작한다. 위의 그림을 예로 들면 프로세스 C와 E가 동작을 멈추고 적당한 위치로 이동될 것이다. 당연히 해야 할 일이 많기 때문에 많은 시간이 걸린다는 단점이 존재한다.
 
참고로 하드디스크와 같은 저장장치에서도 외부 단편화가 발생하기 때문에 하드디스크도 성능을 유지하려면 주기적으로 조각 모음을 실행해야 한다. 하지만 단편화로 인한 성능 저하가 되지 않는 SSD가 대중화된 오늘날에는 저장장치에 대한 조각 모음의 중요성이 떨어졌다.
 
 

고정 분할 방식

고정 분할 방식은 프로세스의 크기와 상관없이 메모리를 같은 크기로 나누는 방식이다. 프로세스의 크기에 상관없이 같은 크기로 나누기 때문에 큰 프로세스가 메모리에 올라오면 여러 조각으로 나뉘어 배치된다. 하나의 프로세스가 여러 개로 나뉘어 배치되기 때문에 비연속 메모리 할당(noncontiguous memory allocation), 또는 페이징(Paging) 메모리 관리 기법이라고 한다.
 
고정 분할 방식은 메모리를 일정한 크기로 나누기 때문에 메모리 통합 같은 부가적인 작업을 할 필요가 없어 메모리 관리가 편하다는 장점이 존재한다. 하지만, 하나의 프로세스가 여러 곳으로 나뉠 수 있다는 단점을 가지고 있다. 그러나 메모리 오버레이를 사용하면 프로세스가 여러 곳에 나뉘어 배치되거나 일부만 물리 메모리에 있고 나머지는 스왑 영역에 있어도 실행에는 문제가 없기 때문에 가변 분할 방식보다 메모리 관리 측면에서 유리하다. 따라서, 현대 운영체제에서는 기본적으로 고정 분할 방식을 이용한다.
 
고정 분할 방식도 일정하게 나뉜 메모리의 크기보다 작은 프로세스가 배치될 경우 낭비되는 공간이 생긴다는 단점이 존재한다. 이처럼 각 메모리 조각에 프로세스를 배치하고 공간이 남는 것을 내부 단편화(Internal Fragmentation)이라고 한다. 외부 단편화를 해결하기 위해 조각 모음을 하는 것처럼 후처리를 하거나 남는 공간을 다른 프로세스에 배정할 수도 없기 때문에 고정 분할 방식에서는 내부 단편화를 줄이기 위해 메모리를 어떤 크기로 나눌지 신중하게 결정해야 한다.
 

 

버디 시스템

버디 시스템은 가변 분할 방식과 고정 분할 방식의 중간 구조이다. 버디 시스템은 프로세스의 크기에 맞게 메모리를 1/2로 자르고 프로세스를 메모리에 배치한다. 이때, 나뉜 메모리의 각 구역에는 프로세스가 1개만 들어간다. 프로세스가 종료되면 주변의 빈 조각과 합쳐서 하나의 큰 덩어리를 만든다. 자세한 동작 과정은 영상을 참고하자.
 

출처) https://www.youtube.com/watch?v=1pCC6pPAtio

 
효율적인 공간 관리 측면에서 보면 고정 분할 방식과 버디 시스템은 비슷한 수준이다. 그러나 고정 분할 방식이 훨씬 단순하기 때문에 버디 시스템보다 고정 분할 방식을 많이 사용한다.