※ 운영 체체(+주홍철)_복습(2)

 

※ 운영 체체(+주홍철)_복습(2)

 

메모리

 : CPU는 그저 메모리에 올라와 있는 프로그램의 명령어를 실행할 뿐이다.

 : 임시 저장 공간이며, 실행중인 프로그램이 사용하는 작업 공간이다.

 

메모리 계층

 : 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있다.

  <========속도, 가격 ↑     |    용량 ↑ =========> 

 : 레지스터 - CPU안에 있는 작은 메모리이다. 휘발성이며, 속도가 가장 빠르다. but 기억 용량은 적다.

 : 캐시 - L1, L2 캐시를 지칭하며, 휘발성이고 속도는 빠르다. but 기억 용량은 적다. (참고로 L3 캐시도 있다.)

 : 주기억장치 - RAM을 가리킨다. 휘발성이며, 속도는 보통이다. 기억 용량도 보통이다.

 : 보조기억장치 - HDD, SSD를 일컬으며, 비휘발성이고 속도는 느리다. but 기억 용량은 많다!!

**RAM은 HDD, SSD로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요시마다. CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다.

 

캐시

 : 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리이다.

 : 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고, 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.

 : 실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결한다.

 : 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 한다.

 

지역성의 원리

 : 캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때는 어떻게 해야 할까?

  - 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정하고, 자주 사용하는 데이터 근거는 지역성으로 판단한다.

 

시간 지역성

 : 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성

 

공간 지역성

 : 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성

 

캐시히트와 캐시미스

 : 캐시히트

  - 캐시에서 원하는 데이터를 찾았다고 한다. 해당 데이터를 제어장치 거쳐서 가져온다.

  - 위치도 가깝고, CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르다.

 : 캐시미스

  - 해당 데이터가 캐시에 없다면, 주메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것이다.

  - 시스템 버스 기반으로 작동하기 때문에 느리다.

 

캐시매핑

 : 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법이다.

 : CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다.

[캐시매핑의 종류]

 : 직접매핑 - 메모리가 1~100이 있고, 캐시가 1~10이 있다면 1:1~10, 2:1~20 ... 이런 식으로 매핑하는 것을 말한다.
  처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦다.

 : 연관매핑

  - 순서를 일치시키지 않고, 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다. 

  - 충돌이 적지만, 모든 블록을 탐색(연관있는 걸 찾아야해서)해서 속도가 느리다.

 : 집합 연관 매핑

  - 직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것이다.

  - 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적이다.

 

웹 브라우저의 캐시

 : 소프트웨어적인 대표적인 캐시로는 웹 브라우저의 작은 저장소, 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있다.

 

쿠키

 : 만료기한이 있는 key-value 저장소이다.

 : 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고, 만료기한을 정할 수 있습니다.

 

로컬 스토리지

 : 만료기한이 없는 key-value 저장소이다.

 : 5MB까지 저장할 수 있으며, 웹 브라우저들 닫아도 데이터가 유지된다.

 : HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며, 클라이언트에서만 수정이 가능하다.

 

세션 스토리지

 : 만료기한이 없는 key-value 저장소이다.

 : 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다.

 : 5MB까지 저장이 가능하며 HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없다. 클라이언트에서만 수정 가능하다.

 

데이터베이스의 캐싱 계층

 : 메인 데이터베이스 위에 redis 데이터베이스 계층을 "캐싱 계층"으로 둬서 성능을 향상시키기도 한다.

예를 들어

 : 앱에서 데이터 요청 -> 캐시 히트 -> redis에서 데이터 읽어온다.

 : 앱에서 데이터 요청 -> 캐시 미스 -> 메인 데이터베이스에서 데이터 읽어 온다.

 

메모리 관리

 : 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야 하는 것이다.

 

가상 메모리

 : 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리
 로 보이게 만드는 것이다.

 : 가상주소 - 가상적으로 주어진 주소이다.

 : 실제주소 - 실제 메모리상에 있는 주소이다.

 : 가상 주소는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환한다.

**TLB

 : 메모리와 CPU사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다.

 : 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPUㅏ 페이지 테이블가지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층이다.

 

스와핑

 : 만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다.

 : 위 상황처럼 될 경우 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고, 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 

 불러와 쓰는 것이다. 마치 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만든다.

 

페이지 폴트

 : 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생

[페이지 폴트와 그로 인한 스와핑의 다음 과정]

(1) 어떤 명령어가 유효한 가상 주소에 접근했으나 해당 페이지가 만약 없다면 트랩이 발생되어 운영체제에 알리게 된다.

(2) 운영체제는 실제 디스크로부터 사용하지 않은 프레임을 찾는다.

(3) 해당 프레임을 실제 메모리에 가져와서 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 특정 페이지와 교체한다.

(이때 스와핑이 일어납니다.)

(4) 페이지 테이블을 갱신시킨 후 해당 명령어를 다시 시작한다.

**페이지 : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위이다.

**프레임 : 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위이다.

 

스레싱

 : 메모리의 페이지 폴트율을이 높은 것

 : 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.

 : 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생한다.

 : 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다 

  - > "CPU가 한가한가?" 라고 생각하여 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다.

[해결 방법]

 : 메모리를 늘린다.

 : HDD를 사용한다면 HDD를 SSD로 바꾸는 방법이 있다.

 : 작업 세트와 PFF가 있다.

**작업세트

 : 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것이다. 

 : 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용 절약, 스와핑 또한 줄일 수 있다.

**PFF(Page Fault Frequency)

 : 페이지 폴트 빈도를 조정하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법이다.

 : 만약 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 것이다.

 

메모리 할당

 : 메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데, 연속 할당과 불연속 할당으로

 나뉜다.

 

연속 할당

 : 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말한다.

 : 순차적으로 공간에 할당하는 것이다

 : 메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변 분할 방식이
  있다.

 

고정 분할 방식

 : 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없다.

 : 내부 단편화가 발생한다.

 

가변 분할 방식

 : 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다.

 : 내부 단편화는 발생하지 않고, 외부 단편화는 발생할 수 있다.

 : 최초적합, 최적적합, 최악적합이 있다.

[가변 분할 방식 종류]

 : 최초 적합 - 위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당한다.

 : 최적 적합 - 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당한다.

 : 최악 적합 - 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당한다.

**내부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어는 가는데 남는 공간이 많이 발생하는 현상
(공간 : 100 , 메모리 : 20, 남는 공간 : 80)

**외부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 공간

**홀 : 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간이다.

 

불연속 할당

 : 메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 불연속 할당인 페이징 기법이 있다.

 : 메모리를 동일한 크기의 페이지(보통 4KB)로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 
 할당하는 것이다. 

 : 페이징 기법 말고도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다.

 

페이징
 : 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당합니다. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡하다.

세그멘테이션
 : 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식이다.
 : 프로세스를 이루는 메모리는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 이루어진다.
 : 코드와 데이터로 나누거나 코드 내의 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나눌 수도 있다.
 [장점]
 : 공유와 보안 측면에서 장점
 [단점]
 : 홀 크기가 균일하지 않다.

페이지드 세그멘테이션
 : 프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유나 보안 측면에 강점을 두고 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 것.

페이지 교체 알고리즘
 : 메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어납니다. 스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야하며 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어납니다.

오프라인 알고리즘
 : 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며, 가장 좋은 방법이다.
 : 미래에 사용되는 프로세스를 우리가 알 수 없다.
 : 즉, 사용할 수 없는 알고리즘이지만 가장 좋은 알고리즘이기 때문에 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 상한기준을 제공합니다. 

FIFO (First In First Out)
 : 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법을 의미

LRU (Least Recently Used)
 : 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다.
 : "오래된" 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있다. 
 예를 들면 
 : 페이지 들어오는 순서 [1,3,0,3,5,6,3]
 --> 1
 --> 3 1
 --> 0 3 1
 --> 3 0 1
 --> 3 0 5
 --> 3 6 5
 --> 3 6 5

NUR
 : LRU에서 발전한 NUR(Not Used Recently) 알고리즘이 있습니다.
 : clock 알고리즘이라고 하며 먼저 0과 1을 가진 비트를 둔다.
 : 1은 최근에 참조, 0은 참조되지 않음을 의미
 : 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾는 순간 해당 프로세스를 교체 후 1로 바꾸는 알고리즘

LFU 
 : 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체(= 많이 사용되지 않은 것을 교체)