[OS / 운영체제] Swapping, Contiguous Memory Allcoation, Fragmentation, Paging,

Swapping

현재 프로세스에서 다른 프로세스로 Switching이 일어나려고 한다. 프로세스 크기를 100MB로 가정. 디스크의 latency가 8ms 정도 걸린다. 2초에다가 8ms 정도 추가된다. 2008ms 걸리게 되고 Swap out과 Swap in 총 2번 일어나고 4016ms가 걸린다고 할 수 있다. Context Switching 할 때 걸리는 숫자이다. Time slice가 보통 10 ~ 100 ms 하는데 Context Switching 할 때 4초가 걸린다는 것은 너무 오래 걸리는 것이다. disk transfer rate를 늘리기 위해서 Hard Dist를 SSD로 바꾸는 등의 작업이 필요하다. 사용에 필요한 프로세스만 넘기는 것으로 Context Switching을 해야 한다. 프로세스를 잘게 쪼개서 사용을 한다. 

 

 

Contiguous Memory Allcoation

100MB 프로세스를 사용하기 위해서 100MB에 해당 하는 메모리가 띄엄 띄엄 있어도 되고 연속적으로 존재해도 가능하다. logical Address spcae는 한 덩어리로 있어야 하지만 Physical Address Space는 띄엄 띄엄 있어도 가능하다. 하나의 프로세스를 로딩할 때 Logical은 연속되어야 한다는 것은 뒤에 가서 더 자세하게 배운다. (전제로 두자) 메모리가 OS와 User Process로 나뉜다. User Process가 High memory이다. 어떻게 나눠 사용할 수 있을 까? 

 

 

Memory Mapping Protection

logical address가 자기 자신의 공간에의 상대적 시작점을 의미한다. 오른쪽 파란색 상자 안이 기준이 된다. Limit은 파란색 상자의 크기가 된다. 자신의 크기를 넘어 서는 지를 확인해야 한다. 남의 영역을 침범하는지 안하는지를 확인. Interrupt Handler가 작동을 하게 된다. relocation register는 base register와 같은 의미이다. 시작점을 저장하는 것이 base register인데 relocation과 동일한 의미를 가진다. relocatable address와 relocation register는 완전히 다른 의미임!!!!  실시간 relocation을 하게 된다. 이 모든 작업은 HardWare가 담당을 한다. 

 

 

Memory Allocation

처음에는 OS 말고 아무것도 존재하지 않는다. P1, P2, P3 User Process 가 들어오게 된다. P2가 나가게 되면 해당 공간이 Free Space가 된다. P4나 나타나게 되면 P2가 나갔던 공간에 들어오게 된다. (P2보다 작다고 가정) P1이 나가면 빈 공간이 되고 P5가 들어오면 P1이 나간 공간에 들어가게 된다. 빈 공간이 자꾸 쪼개지는 문제가 계속 발생한다. 이렇게 잘라지게 되면 쓸 수 없는 공간으로 되어버리고 만다. 

 

 

Fragmentation(파편화)

External Fragmentation. N개의 블럭이 있으면 그 중에 0.5N 에 해당하는 메모리 부분이 Fragmentation 되었다는 통계 수치를 볼 수 있다. 저 뜻은 메모리의 1/3을 사용하지 못한다는 것을 의미한다. Disk도 비효율적으로 사용하게 된다는 것을 의미한다. 프로세스 밖에 생기는 것

 

 

Fragmentation

Internal Fragmentation, 프로세스가 요청한 메모리보다 더 큰 메모리를 봤을 때를 의미한다. 18462 바이트를 달라고 요청했다고 하자. 빈 공간을 찾았다고 했을 때 18464라는 공간을 찾았다고 하자. 프로세스 입장에서는 자신 크기보다 더 큰 메모리 공간을 받게 되는데 그것을 Internal Fragmentation 이라고 한다. 이렇게 해서 버려지는 공간을 의미한다. 실제로 어떤 상황에서 발생하게 되는가? Block 단위로 떨어지게 메모리를 할당해준다. 예를 들어 블럭 단위가 4KB인데 프로세스가 5KB를 달라고 하면 8KB를 주게 되고 3KB만큼 더 주게 된다. 이것이 Internal Fragmentation이라고 한다. 프로세스 안에 생기는 것.

 

 

Fragmentation

빈 공간을 없애고 위로 밀어 올리는 방식은 Compaction이라고 하지만 이론 상으로만 존재한다. (실용적x) Logical 공간에서는 연속이어야 하고 Physical Memory는 연속이지 않아도 된다. Physical 하게 다 떨어져 있어도 Mapping을 잘 하면 부드럽게 잘 실행될 수 있다. 이런 방법이 두 가지 존재한다. Paging과 Segmentation이 존재한다. 이를 왜 적용하는가?  Fragmentation에 대한 해법이다!!!(**) 

 

Paging

Logical Memory 를 같은 크기로 쪼개는 과정이다. Physical Memory도 똑같은 사이즈로 쪼개게 된다. Logical Memory의 한 공간을 Page라고 부르고 Physical Memory의 공간을 Frame이라고 부른다. Logical Memory는 실제로 존재하는 공간이 아니다. page라는 것은 Content에 대한 것을 얘기할 때 사용이 된다. Frame에서 0번 Page는 1번 Frame에 있는 것이다. 1번 Page는 4번 Frame에 존재하는 것이다. Page라는 것은 논리적인 공간에서 page를 의미하고 Frame은 실제로 저장되는 메모리 공간을 의미하는 것이다. Page와 Frame의 크기는 같아야 한다. 중간에 Mapping하는 것을 page table이라고 한다. 

 

 

Paging

page table의 값은 page index에 해당하는 frame index를 가지고 있는 구조로 볼 수 있다. page table에는 frame의 번호가 들어가게 된다. page table 에는 page number가 들어가야 한다? 맞다 틀리다? 틀리다. page table의 값이 아니라 그냥 index이다. Page Number로 들어올 뿐 값이 들어오는 것이 아니다. 

 

 

paging

logical address는 page number와 page offset로 구성된다. page size를 1000이라고 해보자. 5320 은 5번 페이지에 들어가게 된다. 35821 은 35번째 Page에 들어간다. 45861은 45번째 Page에 들어간다. 35라는 것이 Page Number라고 하고 821를 Offset Number라고 한다. page offset을 나타내는 Bit는 12 bit이다. 4KB에 해당한다. 32 Bit , 2^10이 한 번 있으면 KB 두 번 있으면 MB 세 번 있으면 GB가 된다. 즉 32 Bit는 4GB라고 할 수 있다. 

 

 

Paging

4bit 짜리는 Logical Address가 16Byte에 해당한다. 한 페이지의 크기는 4Byte이다. 2^N에 해당하므로 적절한 크기이다. 9번째 페이지 번호는 2가 된다. 9의 Page Offset은 1이 된다. 페이지 안에서가 기준이므로. Page Offset의 시작은 0이다. 이를 이진수로 표현해보자. 페이지 크기가 4이므로 2bit에 해당한다. Page Offset에 해당하는 크기가 2bit라는 것!!!(***) 14를 이진수로 나타내면 1110 인데 2Bit에서 자르게 되면 앞 부분의 숫자는 3에 해당하고 Page number도 3이 된다. 뒤의 두 Bit를 보게 되면 2에 해당하고 Offset 또한 2 인 것을 확인할 수 있다. 

J의 Physical Address는 5가 된다. 5는 0101 이고 2bit로 나누게 되면 오른쪽 2bit 01은 Offset이고 왼쪽 2bit는 Frame number이다. MMU를 통해서 변경된 Offset은 변경되지 않는다. 즉, Logical Address의 Offset과 Physical Address의 Offset은 동일하다. Page의 크기와 Frame의 크기가 같기 때문이다. Page Number와 Frame Number의 변환되는 숫자는 page table에 적혀있다.