메모리 관리, Memory Management
메모리 주소
메모리 주소는 아래와 같이 세 가지의 다른 종류가 있다.
symbolic address
logical address
physical address
symbolic address
이 주소는 프로그래머가 변수나 매소드를 정의하는 행위를 할 때, 그 변수와 매소드 자체를 의미한다.
프로그래머가 실제 코딩할 때에는 메모리주소를 숫자로 특정하며 코딩하지 않는다. 다만 변수나 매소드를 정의하고 그 변수나 매소드를 호출할 뿐이다.
이때, 이 변수나 매소드를 심볼링 주소라고 한다.
logical address
논리적 주소는 다른 말로 virtual address 라고도 불린다.
프로세스마다 독립적으로 가지는 주소 공간이며
각 프로세스마다 0번지에서 시작한다.
CPU가 바라보고 있는 주소가 바로 이 논리주소이다.
physical address
물리적 주소는 말 그대로 메모리에 실제로 올라가는 위치를 의미한다.
주소바인딩
결국 데이터가 메모리에 올라가는 과정을 살펴보면 다음과 같은 흐름을 지닐 것이다.
symbolic address → (컴파일) → logical address → (실행시작) → physical address
그렇다면,
logical address → physical address이 시점은 도대체 언제인가?
주소바인딩, address binding
주소 바인딩에서는 아래와 같이 세 가지 방법이 있다.
compile time binding
load time binding
runtime binding
1. compile time binding
컴파일 시점 바인딩의 경우, 이미 컴파일 시점에 물리적 메모리 주소도 같이 결정된다. 즉, logical address 가 곧 physical address 인 셈이다.
따라서 소스 코드 내 변경이 있거나 시작 위치가 변경될 경우에는 무조건 컴파일을 다시 해서 새로운 물리적 메모리주소를 받아야 한다.
이때, 컴파일러가 생성하는 코드는 컴파일부터 프로그램의 실행 이후에도 변하지 않으므로 절대코드 absolute code 라고 한다.
2. load time binding
로드타임 바인딩의 경우, 프로그램이 실행되는 시작점에 메모리 주소가 결정된다.
loader 의 책임 하에 물리적 메모리주소가 부여되는 것이다.
컴파일러가 재배치가능한 코드 relocatable code 를 생성한 경우 가능하다.
3. runtime binding
프로그램이 실행이 된 이후에도 계속 메모리 주소를 바꿀 수 있다.
이는 CPU가 주소를 참조하기 전에 address mapping table 로 binding 상태를 점검하기 때문이다.
이 런타임 바인딩은 하드웨어적으로 MMU가 갖추어져야 가능하다.
MMU, Memory Management Unit
logical address → physical address 로 주소로 매핑해주는 하드웨어이다.
MMU 내부에는 두 개의 register 가 존재한다.
relocation address(=base register) : 접근할 수 있는 물리적 메모리 주소의 최소값
limit address : 논리적 주소의 범위
MMU 는 MMU scheme 에 따라서 동작한다. MMU scheme은 아래 그림처럼 동작한다.
MMU 내부에 relocaltion register 와 limit register 가 존재한다.
CPU가 logical address 346번지의 데이터를 요청하면,
MMU 내부의
limit register는 먼저 요청된 logical address 가 virtual memory 범위 이내의 주소값인지를 점검한다. 만약에 메모리 범위를 벗어나는 주소값일 경우, trap 을 발생시켜 CPU 주도권을 운영체제에게 넘긴다. (그럼 운영체제는 trap이 왜 일어났는지 파헤치기 시작함….)만약 virtual memory 범위 이내의 주소값일 경우에는 physical memory에서 해당 logical address 가 차지하는 공간의 시작점인 14000을
relocation register로 두고, 그 값을 더해준다.그렇게하면, logical address 346가 실제 메모리 공간에서 위치하는 주소값인 14346 을 얻게 된다.
관련 용어 살펴보기
dynamic loading
overlays
swapping
dynamic linking
1. dynamic loading, 동적 로딩
프로세스 전체를 메모리에 올려놓는 것이 아니라 해당 루틴이 불려질 때, 메모리에 로드하는 것을 의미한다.
프로그램은 대부분 거의 발생하지 않는 루틴들이 있다. (오류처리나 예외적 케이스 등)
오류나 예외적 상황처럼 자주 발생하지 않는 루틴들을 대비하여 모든 내용을 메모리에 올려두는 것은 명백한 낭비가 된다.
따라서 dynamic loading 을 이용하면 메모리 활용도가 높아지게 된다.
가끔씩 사용되는 많은 양의 코드의 경우에 유용하게 사용될 수 있다.
이 로딩 방법은 운영체제의 지원 없이 프로그램 자체적으로도 구현이 가능하고, OS 는 라이브러리를 통해 지원 가능하다.
참고로 loading 은 메모리로 올려놓는 것을 의미한다.
2. overlays
메모리에 실제 필요한 정보만을 올려두는 것이다.
프로세스의 크기가 메모리보다 클 때 유용하게 사용될 수 있다.
운영체제의 지원 없이 사용자에 의해 구현된다.
주로 초창기 시스템에서 메모리 크기가 너무 작았을 때 많이 사용되던 방법으로 모든 과정을 프로그래머가 직접 구현해야한다고 해서 manual overlay 라고도 불렸다. 당연히! 프로그래밍은 매우 복잡했다.
3. swapping
프로세스를 일시적으로 메모리에서 backing store 로 내쫗는 것이다.
여기서 backing store 는 disk 를 의미한다.
많은 사용자들의 프로세스 이미지들을 담을만큼 충분히 크고 빠른 저장공간
swap in/out
swap in : 메모리에서 backing store 로 프로세스를 내보내는 것
swap out : backing store 로부터 메모리로 프로세스를 불러들이는 것
일반적으로는 중기 스케줄러 swapper 에 의해서 swap out 시킬 프로세스가 선정된다.
priority based CPU scheduling algorithm
priority 가 낮는 프로세스를 swap out 시키고
priority 가 높은 프로세스를 swap in 시킨다.
complie binding 이나 load time binding 에서는 원래의 메모리 주소로 swap in 해야하며, runtime binding 에서는 빈 곳 아무데나 로드하면 된다.
swap time 은 대부분 swap 되는 양에 비례한 transfer time 이다.
4. dynamic linking
linking : 프로그래머는 프로그램을 작성하고 컴파일 한 다음 link 하여 하나의 실행파일로 만든다. 이것을 linking 이라고 한다.
이때 static linking 은
라이브러리가 프로그램의 실행파일 코드에 포함된다.
따라서 실행파일의 크기가 커지게 되며
같은 라이브러리를 각각의 프로세스가 메모리에 올리게 되므로 메모리의 낭비가 발생하게 된다.
반면, dynamic linking은
이 linking 을 실행시간까지 미루는 기법이다.
라이브러리가 실행파일에 포함되지 않고, 실행이 되는 시점에 연결link 된다.
라이브러리를 호출하는 부분이 stub 이라는 작은 코드를 두고 라이브러리 루틴의 위치를 관리한다.
라이브러리가 메모리에 존재하면 stub을 뒤져서 그 루틴의 주소로 바로 찾아가고,
없으면 디스크에서 읽어온다.
이 방법 역시 하드웨어적으로 뒷받침이 되어야 가능하다.
shared library 라고 불리기도 한다.
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