[운영체제] 스레싱

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스레싱(Threshing)

이전 포스팅 글을 읽었으면 한정된 물리 메모리 공간에 많은 프로그램들을 실행시키면 Swap In, Swap Out 작업이 빈번해진다는 것을 알 것이다. 이와 같이 잦은 페이지 부재로 저장장치의 입출력이 너무 많아져서 작업이 멈춘 것 같은 상태를 스레싱이라고 한다.

 

이러한 스레싱은 각 프로세스에 프레임을 할당하는 문제와도 연관된다. 실행 중인 여러 프로세스에 프레임을 얼마나 나누어 주느냐에 따라 시스템의 성능이 달라지기 때문에 실행 중인 프로세스에 남아 있는 프레임을 적절히 나누어 주는 정책이 필요하다. 프로세스에 프레임을 할당하는 방식은 크게 정적 할당과 동적 할당으로 구분된다.

 

정적 할당(Static Allocation)

프로세스 실행 초기에 프레임을 나누어 준 후 그 크기를 고정하는 것으로, 균등 할당 방식과 비례 할당 방식이 있다.

 

균등 할당(Equal Allocation)

프로세스의 크기와 상관없이 사용 가능한 프레임을 모든 프로세스에 동일하게 할당하는 방식이다.

 

 

위 그림과 같이 각 프로세스마다 필요로 하는 프레임의 개수가 다름에도 4개씩 동일하게 할당한다.

 

비례 할당(Proportional Allocation)

프로세스의 크기에 비례하여 프레임을 할당하는 방식이다.

 

 

위 그림과 같이 각 프로세스의 필요 프레임 개수에 비례하여 각 프로세스마다 다르게 할당한다.

 

하지만, 동영상 플레이어 프로그램처럼 프로그램 자체의 크기는 작아도, 재생되는 동영상의 크기가 클 경우가 있다. 즉, 프로세스가 실행되는 동안에는 필요로 하는 프레임이 더 많아질 수 있다. 비례 할당 방식은 이러한 상황을 유동적으로 반영하지 못한다.

 

또한, 실행하면서 당장 필요 없는 프레임을 미리 할당해 놓기 때문에 메모리를 낭비한다는 단점이 존재한다.

 

동적 할당(Dynamic Allocation)

프로세스는 실행 중에 많은 프레임이 필요하기도 하고 적은 프레임만으로 작동하기도 하므로 이렇게 시시각각 변하는 요청을 수용하는 방식이다. 작업 집합 모델을 사용하는 방식과 페이지 부재 빈도를 사용하는 방식이 있다.

 

작업 집합 모델(Working Set Model)

작업 집합 모델이란 지역성 이론을 바탕으로 하여 최근 일정 시간 동안 참조된 페이지들을 집합으로 만든 것인데, 이 집합에 있는 페이지들을 물리 메모리에 유지한다.

 

작업 집합 모델은 세 가지 용어가 사용된다.

 

• 작업 집합(Working Set): 물리 메모리에 유지할 페이지들의 집합
• 작업 집합 크기(Working Set Size): 작업 집합에 들어갈 최대 페이지 수임과 동시에 작업 집합 갱신 주기
• 작업 집합 윈도우(Working Set Window): 작업 집합에 들어갈 페이지 선택을 위한 탐색 범위 (현재 시점에서 과거 시점으로 탐색)

 

 

위 그림으로 세 가지 용어를 설명하면 다음과 같다.

 

현재 시점 t1에서의 참조된 페이지로부터 10만큼 떨어진 과거 시점에 참조된 페이지까지를 작업 집합에 들어갈 페이지 선택을 위한 탐색 범위, 즉 작업 집합 윈도우는 Δ이고, 작업 집합 윈도우의 크기(Working Set Window Size)는 10이다. 또한, 작업 집합 윈도우로부터 작업 집합 WS(t1)은 { 1, 7, 5, 2, 3 } 라는 것을 알 수 있다. 마지막으로, 작업 집합 크기는 5이다. 이때, 작업 집합 크기는 작업 집합 갱신 주기라고도 했다. 아래 그림을 보자.

 

 

작업 집합 크기가 5이므로 현재 시점 t1에서 5만큼 떨어진 미래 시점 t2에는 다시 작업 집합 윈도우를 설정해 새로운 작업 집합을 생성한다. 이때, 주의해야 할 점이 있다. t2시점에서의 작업 집합 윈도우를 보게 되면 페이지 5가 존재하는 걸 볼 수 있다. 하지만, WS(t2)에는 페이지 5가 들어가지 못했다. 왜냐하면, 작업 집합 윈도우에서 t2, 즉 현재 시점과 가까운 과거 시점의 참조 페이지들부터 선택하기 때문이다.

 

또한, t3시점에서 볼 수 있듯이 WS(t3)의 크기가 작업 집합 크기보다 작을 수도 있는데 작업 집합 크기가 작업 집합 자체의 크기를 설정한 것이 아니라 들어올 수 있는 최대 크기를 설정한 것이기 때문이다.

 

작업 집합 모델에서는 작업 집합 윈도우의 크기에 따라 프로세스의 실행 성능이 달라진다. 작업 집합 윈도우를 너무 크게 잡으면 필요 없는 페이지가 남아서 다른 프로세스에 영향을 미치고 너무 작게 잡으면 필요한 페이지가 스왑 영역으로 옮겨져서 프로세스 성능이 떨어진다.

 

 

페이지 부재 빈도(Page Fault Frequency)

작업 집합 모델에서는 어떤 프레임을 물리 메모리에 유지해야 하는지는 알 수 있어 프로세스의 성능을 높이는 방법이지만 프레임을 얼마나 할당해야 하는지는 알 수 없어 스레싱 문제를 해결하지는 못한다.

 

페이지 부재 빈도를 이용하는 방법은 페이지 부재 횟수를 기록하여 페이지 부재 비율을 계산하는 방식으로 페이지 부재 비율의 상한선과 하한성을 설정하여 프로세스가 필요로 하는 페이지 양을 동적으로 결정하여 스레싱 문제를 완화할 수 있다.

 

 

위 그림과 같이 페이지 부재 비율이 상한선을 초과하면 할당한 프레임이 적다는 의미이므로 프레임을 추가하여 늘린다. 반대로 페이지 부재 비율이 하한선 밑으로 내려가면 메모리가 낭비된다는 의미이므로 할당한 프레임을 회수한다.

 

전역 교체와 지역 교체

페이지 교체 알고리즘에 따라 페이지를 교체할 때에는 전역 교체와 지역 교체를 적용한다.

 

전역 교체

전체 프레임을 대상으로 교체 알고리즘을 적용

 

지역 교체

현재 실행 중인 프로세스의 프레임을 대상으로 교체 알고리즘을 적용

 

 

위 그림에서 볼 수 있듯이 프로세스 A가 페이지 6을 요청하는 경우 전역 대치는 물리 메모리의 모든 프레임을 대상으로 Swap Out 할 페이지를 찾는 반면, 지역 교체는 프로세스 A와 관련된 프레임에서 Swap Out 할 페이지를 찾는다.

 

지역 교체의 장점은 자신에게 할당된 프레임의 전체 개수에 변화가 없기 때문에 페이지 교체가 다른 프로세스에 영향을 미치지 않을 수 있어 다른 프로세스의 예기치 않은 스레싱 문제를 줄일 수 있다. 하지만, 지역 교체 방식은 자주 사용하는 페이지가 빈번하게 Swap Out 될 수 있기 때문에 전체 시스템 효율이 떨어지고 자기 자신 프로세스의 스레싱 문제가 발생한다.

 

이처럼 지역 교체 방식은 다른 프로세스의 스레싱은 줄일 수 있지만, 반대로 자기 자신 프로세스의 성능을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 전체 시스템의 입장에서는 지역 교체 방식보다 전역 교체 방식이 효율적이라고 한다.