[CS 스터디 #05] 운영체제(OS)-메모리/ 캐시/ 파일 시스템

 

 

 

💻 운영체제: Operating System

✔️ 메모리/ 캐시/ 파일 시스템

 

 

 

◻️ 메모리

 메모리는 컴퓨터에서 작업을 수행하기 위해 처리 대상이나 결과 등을 저장하기 위한 공간이다. 프로그램을 실행하기 위한 정보들은 메모리에 저장되어 처리된다.

 

◻️ 가상 메모리

 보조기억장치를 가상의 논리적 메모리 공간으로 이용하는 방법이다.

 다중 프로그래밍 환경에서 프로세스를 모두 메모리에 적재하기엔 물리적 메모리의 크기가 제한적이어서 고안된 방법이다. 대부분의 프로그램은 부분적인 적재만으로도 실행시킬 수 있는데 이러한 특징을 이용한 방법으로, 프로세스 실행에 꼭 필요한 부분만 메인 메모리에 적재하고 나머지는 디스크에 저장한다.

 

 

 

 

 

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◻️  단편화

• 내부 단편화: 메모리 할당에 있어서 실제 프로세스가 필요한 양보다 더 크게 할당되어서 메모리 공간이 낭비되는 현상.
• 외부 단편화: 메모리 할당 및 해제의 반복으로 사용되지 않은 작은 메모리 공간이 중간중간 위치하여 총 메모리 공간은 충분하지만 실제 할당할 수 있는 메모리 공간은 없는 상황

 

◻️ 페이징 기법

 보조기억장치를 이용한 가상메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것이다. 주기억장치 또한 페이지와 같은 크기로 나누는데 이는 Frame이라고 부른다.

 사용하지 않는 프레임은 페이지로 옮기고, 필요한 메모리는 페이지 단위로 프레임에 옮겨서 사용하는 방식이다. 일정한크기가 있으므로 연속되는 공간을 할당하지 않아도 되어 외부단편화는 해결되지만, 페이지 단위에 알맞게 채워 사용하지 않는 경우 내부 단편화가 발생할 수 있다.

 

    ✔️ 페이징 교체 기법

• FIFO (First-In First Out): 메모리에 가장 먼저 올라온 페이지를 교체하는 알고리즘이다. 반복적으로 사용되는 페이지여도 교체된다는 단점이 있다.
• OPT (Optimal Page Replacement) : 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체하는 알고리즘이지만, 프로세스가 앞으로 사용할 페이지를 미리 알아야한다는 구현 불가능한 선제조건이 있기 때문에 실제 구현목적으로 사용되지 않는다.
• LRU (Least-Recently-Used): 최근에 사용하지 않은 페이지를 가장 먼저 내보내는 알고리즘이다. 최근에 사용되지 않았으면 나중에도 사용되지 않을 것이라는 아이디어를 기반으로 한다. 참조비트 유지하는데 메모리공간 낭비와 같은 오버헤드가 높다는 단점이 있다.
• LFU (Least Frequently Used): 참조된 횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 알고리즘이다. 페이지가 참조될 때마다 참조횟수를 증가시켜 이것이 가장 적은 페이지를 내보낸다. 가장 최근에 옮겨진 페이지가 교체될 수 있다는 것, 초기에 많이 사용되었지만 최근에는 사용되지 않은 페이지라면 교체 가능성이 낮다는 것, 오버헤드가 높다는 것과 같은 단점이 있다.
• MFU (Most Frequently Used): 가장 많이 사용된 페이지부터 교체하는 기법이다. 적게 사용된 페이지일수록 메모리에 들어온지 얼마 안되어서 앞으로 많이 사용될 것이라는 가정을 기반으로 한다.

 

◻️  세그멘테이션 기법

 가상 메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그멘테이션으로 분할하여 메모리에 할당하는 것이다. 

 프로세스가 필요한 크기만큼 논리적으로 메모리를 할당받기 때문에 내부단편화는 일어나지 않으나, 메모리 해제와 할당의 반복에서 외부단편화 문제는 발생한다.

 

◻️ 메모리 풀 기법

 필요한 메모리 공간을 필요한 크기와 개수만큼 사용자가 미리 직접 지정하여 할당받아 놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 기법이다.

 미리 공간을 할당해놓고 가져가 쓰고 반납하기를 반복하기 때문에 할당과 해제의 반복으로 인한 외부단편화가 생기지 않으며, 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화도 생기지 않는다.

 사용하지 않는 순간에도 미리 할당해놓으므로 메모리 누수가 생길 수 있다. 메모리 할당/해제가 잦은 경우에 효과적인 방법이다.

 

 

 

 

 

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◻️  캐시 (Cache)

  캐시란, 자주 사용하든 데이터나 값을 미리 복사해놓은 임시 저장소이다.

 CPU가 주기억장치에서 저장된 데이터를 읽어올 때 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장한 뒤, 다음에 이용할 때 주기억장치가 아닌 캐시 메모리에서 먼저 가져오면서 속도를 향상시킨다. 따라서 속도가 빠른 장치와 느린 장치 사이에서의 병목 현상을 줄이기 위해 사용되는 메모리이다. 저장 공간이 작고 비용이 비싼 대신 빠른 성능을 제공한다.

 

 캐시의 효과로는 파레토 법칙을 들 수 있다. 파레토 법칙은 20%의 요구가 시스템 리소스의 대부분을 사용한다는 법칙이다. 그렇기 때문에 이 20%의 기능에 캐시를 사용함으로서 리소스 사용량은 대폭 줄이고, 성능은 대폭 향상시킬 수 있다.

 

◻️  지역성

 캐시는 지역성을 바탕으로 동작한다. 

 

• 시간 지역성: for/while 같은 반복문에서 사용하는 조건 변수처럼, 한 번 참조된 데이터는 잠시후 또 참조될 가능성이 높다
• 공간 지역성: 특정 데이터 접근 시 다음에는 그 데이터에서 물리적 공간 주변의 데이터가 참조될 가능성이 높다. 

 위 원리에 따라 데이터를 캐시에 두는데, 이때 요청 데이터가 캐시에 있으면 "Cache Hit", 캐시에 없으면 "Cache Miss"라고 한다.

 

◻️ 캐시 미스

 캐시 미스의 원인들은 3C's model이라고 한다.

✔️ 강제미스 (Compulsory miss): 데이터에 처음 접근시 캐시에 데이터를 올리기 위해 발생하는 캐시 미스이다. 다른 말로 cold start miss라고 부르기도 한다.

✔️ 용량미스 (Capacity Miss): 캐시의 메모리 공간이 부족해서 나는 미스이다. 즉 프로그램 수행 시 접근하는 데이터의 양이 캐시의 사이즈를 넘어갈 경우 발생한다. 

✔️ Conflict Miss: 특정 데이터들이 같은 캐시 메모리 주소에 할당되어서 나는 미스이다.

 

◻️  캐시 종류

• Local Cache: 로컬 장비 내에서만 사용되는 캐시이다. 작동속도가 빠르고, 로컬에서만 작동하기 때문에 다른 서버와 데이터 공유가 어렵다.
• Global Cache: 여러 서버에서 캐시 서버(Cache Server)에 접근하여 사용하는 캐시로, 분산된 서버에서 데이터를 저장하고 조회할 수 있다. 네트워크를 통해 데이터를 가져오므로 로컬 캐시에 비해 상대적으로 느리다. 하지만 별도의 캐시 서버를 이용하므로 서버 간의 데이터 공유가 쉽다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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