[CS] 운영체제 기초 지식 정리 (3/3)

가상 메모리

가상 메모리란

• 프로세스의 일부만 메모리에 로드하고, 나머지는 디스크에 둔 상태로 프로세스를 실행하는 방식.
• 프로세스 전체가 메모리에 올라오지 않아도 프로세스를 실행하는 데 문제가 없다는 점에서 착안됨.
• 사용자에게는 프로세스 전체가 메모리에 로드된 것처럼 보이지만, 실제로는 전체가 로드된 것이 아니어서 가상 메모리라 함.
• 가상 메모리 장점
  • 프로그램이 메모리 크기에 대한 제약을 덜 받을 수 있음.
  • 동시에 많은 프로그램을 실행하므로 CPU 이용률과 처리율은 높일 수 있음.
  • 필요한 영역만 메모리에 로드해 스와핑 회수를 줄여서 프로그램 실행 속도를 높일 수 있음.

요구 페이징

• 프로세스에서 필요한 페이지만 메모리에 로드하는 방식
• 페이지를 모두 메모리에 로드하지 않고 초기에 필요한 영역만 로드한 후 다른 영역은 요청이 올 때 메모리에 로드.
• 필요한 페이지를 물리 메모리에 로드하고, 필요하지 않은 페이지는 디스크에 저장.
• 프로그램을 실행하다가 물리 메모리에 필요한 페이지가 없을 때 이를 페이지 폴트라고 함.
  • 페이지 폴트가 발생하면 디스크에서 필요한 페이지를 스왑 인. 이때 페이지에 해당하는 메모리 영역이 물리 메모리에 있는지는 페이지 테이블로 파악 가능.

스레싱

• 동시에 일정 수 이상의 프로그램을 실행했을 때 오히려 CPU 이용률이 떨어지는 상황
• 가상 메모리를 구현해 다중 프로그래밍을 하면 CPU 이용률이 높아짐. 그러나 일정 수 이상으로 다중 프로그래밍을 하면 페이지 폴트가 자주 일어남. ➡️ 디스크 영역에서 필요한 페이지를 스왑 인하고 불필요한 페이지를 스왑 아웃하는 작업도 자주 하게 됨.
  • 다중 프로그래밍 정도가 일정 수준 이상 높아지면 페이징이 빈번하게 일어나게 되고 실질적으로 CPU 이용률이 떨어지는 스레싱이 발생

스레싱 발생 시점

• 스레싱을 예방하려면 워킹 세트를 설정하는 방법이 있음.
  • 워킹 세트 : 지역성을 기반으로 자주 사용하는 페이지를 저장해 두는 것.
  • 워킹 세트를 바탕으로 자주 사용하는 페이지를 물리 메모리의 프레임에 고정하면 페이지 폴트가 빈번하게 방생하는 현상을 방지할 수 있음.

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캐시 메모리

캐시 메모리와 지역성

• 캐시 메모리는 CPU와 메인 메모리 간에 데이터 접근 시 속도 차이를 줄이기 위해 사용.
• CPU에서 메인 메모리에 있는 데이터를 가져올 때 자주 사용하는 데이터는 캐시 메모리에 따로 저장함. 이후에 해당 데이터가 필요하면 캐시 메모리에 접근함. ➡️ 메인 메모리에 접근하는 것보다 속도 향상 가능.
• 캐시 메모리에 어떤 데이터를 저장할지는 지역성을 바탕으로 결정.
  • 지역성 : CPU가 자주 참조하는 데이터가 고르게 분포되지 않고 특정 부분에 몰려 있는 것.
  • 캐시 적중률을 높이려면 지역성을 바탕으로 데이터를 저장.
  • 시간 지역성 : 최근 참조한 내용을 다시 참조할 가능성이 높음.
  • 공간 지역성 : 실제 참조한 주소 근처의 내용을 참조할 가능성이 높음.

캐시 메모리의 매핑 방식

• 직접 매핑: 메인 메모리를 일정한 크기로 나누고 각 영역을 캐시 메모리에 매핑하는 방식. 메인 메모리는 캐시 메모리보다 크므로 나눠진 n개의 메모리 영역이 1개의 캐시 메모리에 매핑됨.
• 연관 매핑: 메모리 영역을 캐시 메모리에 규칙 없이 매핑하는 방식. 메모리 영역을 캐시 메모리에 적재할 때는 간단하지만, 캐시 메모리에서 필요한 메모리 영역을 찾을 때는 비효율적.
• 집합 연관 매핑: 직접 매핑과 연관 매핑을 결합해 단점을 보완한 방식으로, 범용적으로 사용됨.