IEIP_Note

메모리 관리

다중 프로그래밍 컴퓨터에서 OS는 메모리의 일부에 상주하고
나머지는 여러 Process에서 사용된다.
이때 서로 다른 프로세스 간에 메모리를 세분화하는 작업을 메모리 관리라고 한다.
메모리 관리는 운영 체제에서 프로세스 실행 중에
주 메모리와 디스크 간의 작업을 관리하는 방법이다.
메모리 관리는 ‘메모리를 효율적으로 사용하기’ 주요 목표로 가지고 있다.

메모리 관리 기법

메모리는 기본적으로 고가의 자원이고 시스템에서 중요한 역할을 하기 때문에
이러한 메모리를 관리하는 메모리 관리는 운영체제가 가진 역할 중 꽤 큰 비중을 차지한다.
메모리 관리 기법으로는 반입 / 배치 / 할당 / 교체 기업이 존재한다.

메모리 반입 (Fetch) 기법

주 메모리에 적재할 다음 프로세스의 반입 시기를 결정하는 기법
메모리 적재 시기를 결정하는 기법
요구 반입 기법과 예상 반입 기법으로 나뉜다.

기법	설명
요구 반입 기법	다음에 실행될 프로세스가 참조 요구가 있을 경우에 적재하는 기법
예상 반입 기법	시스템의 요구를 예측하여 미리 메모리에 적재하는 방법 요구되는 페이지 이외 다른 페이지도 함께 적재하는 방법

메모리 배치 (Placement) 기법 ☆☆☆

디스크에 있는 프로세스를 주 메모리의 어느 위치에 저장할 것인지 결정하는 기법
메모리 적재 위치를 결정하는 기법
배치하는 방식에 따라 ‘최초 / 최적 / 최악’ 적합으로 나뉘어 진다.

기법	설명
최초 적합 First-Fit	프로세스가 적재될 수 있는 공간 중에서 첫 번째 공간부터 순서대로 할당하는 방식
최적 적합 Best-Fit	가용 공간 중 프로세스와 가장 크기가 비슷한 공간을 선택해서 프로세스를 적재하는 방식 공백을 최소화할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
최악 적합 Worst-Fit	프로세스의 가용 공간 중에서 가장 큰 공간에 할당하는 방식 가용 공간과 프로세스 간 크기 비교하고 가장 크기 차이가 큰 공간에 할당한다.

배치 기법 - 추가 설명

아래 이미지와 같은 공간을 가지고 있는 메모리가 있다고 가정해보자.
이제 프로세스 A → 프로세스 B → 프로세스 C 순으로 메모리에 적재를 한다고 해보자.
이때 메모리 배치 기법이 최초, 최적, 최악 적합이냐에 따라 각기 다른 식으로 배치된다.

(1). 최초 적합 First Fit
- 프로세스를 적재할 수 있는 공간 중 첫번째부터 순서대로 할당하는 방식
- 프로세스 A는 첫번째 공간에 할당하기에는 크기가 크기 때문에
- 360MB의 크기를 가진 두번째 공간에 할당되고
	이후 세번째 공간에는 프로세스 B가 할당된다
- 그 다음 네번째 공간에 프로세스 C가 할당되야 할 것 같지만
- 첫번째 공간이 비어있기 때문에 다시 돌아와서 
	86MB 크기를 가진 프로세스 C를 첫번째 공간에 할당한다.
- [ 160 | 360 | 400 | 700 | 200 ]
- [  C  |  A  |  B  |     |     ]

(2). 최적 적합 Best Fit
- 메모리의 가용 공간 중 프로세스와 크기가 비슷한 공간을 선택해서
	프로세스를 할당하는 방식
- 프로세스 A (215MB), 이와 가장 비슷한 크기를 가진
	360MB 크기를 가진 공간, 두번째 공간에 할당된다.
- 프로세스 B (171MB), 이와 가장 비슷한 크기를 가진 
	200MB의 크기를 가진 공간, 다섯번째 공간에 할당된다.
- 프로세스 C (86MB), 이와 가장 비슷한 크기를 가진
	160MB의 크기를 가진 공간, 첫번째 공간에 할당된다.
- [ 160 | 360 | 400 | 700 | 200 ]
- [  C  |  A  |     |     |  B  ]

(3). 최악 적합 Worst Fit
- 메모리의 가용 공간 중 프로세스와 크기 차이가 가장 큰 공간을 선택해서
	배치하는, 말 그대로 최악의 방식
- 프로세스 A (215MB), 첫번째를 제외한 2 ~ 5번째 공간 중 
	가장 차이가 큰 700MB의 크기를 가진 4번째 공간에 할당된다.
- 프로세스 B (171MB), 1, 4를 제외한 나머지 2, 3, 5번째 공간 중
	가장 차이가 큰 400MB의 크기를 가진 3번째 공간에 할당된다.
- 프로세스 C (86MB), 3, 4번째 공간을 제외한 나머지 1, 2, 5번째 공간 중
	가장 차이가 큰, 360MB의 크기를 가진 2번째 공간에 할당된다.
- [ 160 | 360 | 400 | 700 | 200 ]
- [     |  C  |  B  |  A  |     ]

메모리 할당 (Assignment) 기법

주 메모리에 실행해야 할 프로세스를 어떤 방법으로 할당할 것 인지를 결정하는 기법
적재하는 방법에 따라 ‘연속 할당 기법’, ‘분산 할당 기법‘으로 나뉘어진다.

기법	설명
연속 할당 기법	실행을 위한 각 프로세스를 주 메모리 공간 내에서 인접되게 연속하여 저장하는 방법 단일 분할과 다중 분할 기법으로 나뉘어진다.
분산 할당 기법	하나의 프로세스를 여러 조각으로 나누고 주 메모리 공간 내 분산하여 배치하는 기법 페이징, 세그먼테이션, 페이징/세그먼테이션 기법으로 나뉘어진다.

메모리 교체 (Replacement) 기법 / 메모리 대체 기법

참고할만한 Article
- 교체 기법 (Replacement strategies)
- 가상 메모리와 페이지 폴트

주 메모리에 있는 프로세스 중 어떤 프로세스를 제거할 지를 결정하는 기법
가상 메모리 관리자 입장에서 비어있는 메모리 공간이 많을 수록 작업은 쉬워진다.
예를 들어서 Page Fault가 발생하면 빈 페이지 리스트에서 비어 있는 페이지를 찾아서
fault를 일으킨 페이지에 할당하는데 이때 빈 메모리 공간이 거의 없으면
일이 다소 복잡해진다.
이런 경우 운영체제는 메모리 공간 부족을 해소하기 위해서
다른 페이지를 강제적으로 Paging Out하여 활발히 사용 중인 페이지들을 위한
공간을 확보한다.
즉, 새로운 페이지를 할당하기 위해서 현재 할당된 페이지 중 어떤 것과 교체할 지를
결정하는 기법이라고 할 수 있다.
이때 교체할 페이지를 결정하는 관리 기법은 아래와 같이 있다.
FIFO, LRU, LFU, OPT, NUR, SCR, …

FIFO, First In First Out

주 메모리의 페이지에 순차적으로 참조 String이 들어오고
페이지 교체는 가장 먼저 들어온 페이지부터 교체하는 기법
각 페이지가 주 메모리에 적재될 때마다 그 시간을 기억하고
가장 먼저 들어왔던 페이지를 교체하는 기법
말 그대로, 先入先出 기법

LRU, Least Recently Used

사용된 시간을 확인하여 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택, 교체하는 기법
프로그램의 지역성의 원리에 따라 최근에 참조된 페이지는 앞으로도
참조될 가능성이 크고, 최근에 참조되지 않은 페이지는 앞으로도 참조되지 않는다
전제로 두고 구현된 알고리즘
지역성: 프로세스가 실행되는 동안 주 메모리를 참조할 때
일부 페이지만 집중적으로 참조하는 특성

LFU, Least Frequently Used

사용된 횟수를 확인, 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 선택, 교체하는 기법
메모리에 저장된 페이지 중 사용한 횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 기법

OPT, OPTimal Replacement

앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체하는 기법
페이지 부재 횟수가 가장 적게 발생하는 가장 효율적인 기법

NUR, Not Used Recently

LRU 기법과 비슷하게 최근에 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법
최근에 사용하지 않은 페이지는 앞으로도
사용하지 않을 가능성이 있다는 것을 전제로, LRU에서 나타나는
시간적인 오버 헤드를 줄일 수 있다.
최근 사용 여부를 확인하기 위해서, 페이지마다 참조 비트와 변형 비트를 사용

SCR, Second Chance Replacement

가장 오랫동안 주 메모리에 있던 페이지 중
자주 사용되는 페이지의 교체를 방지하기 위한 기법으로
FIFO 기법의 단점을 보완하는 기법