[운영체제] 메모리 관리(메모리 할당)

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

연속 할당

연속 할당

연속 할당은 메모리에 '연속적으로' 공간을 할당하는 것을 말한다.

앞의 그림처럼 프로세스 A, 프로세스 B, 프로세스 C가 순차적으로 메모리에 공간을 할당하는 것을 볼 수 있다. 

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

 

고정 분할 방식(fixed partition allocation)

• 메모리를 정해진 개수만큼 미리 분할하여 관리하는 방식이다.
• 분할한 영역들의 크기는 각각 다를 수도 있고 클 수도 있다.
• 분할한 영역당 하나의 프로세스를 할당하기 때문에 동시에 메모리에 올릴 수 있는 프로그램의 수가 고정되어 있어서 수행 가능한 프로그램의 최대 크기 또한 제한된다는 점에서 가변분할 방식에 비해 융통성이 떨어진다.
• 프로세스의 크기가 정해진 분할 크기보다 작으면 메모리 공간이 남게 되어 내부 단편화가 발생한다.
• 남은 분할이 너무 작아서 대기 중인 작업 중 하나도 맞는 것이 없을 경우, 그 분할이 사용되지 않은 상태로 남아 있게 되므로 외부단편화가 발생한다.

가변 분할 방식(variable partition allocation)

• 매 시점 프로세스의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다. 즉, 메모리에 적재되는 프로세스의 크기에 따라 분할의 개수와 크기가 동적으로 변하는 방식이다.
• 프로세스의 크기에 딱 맞게 분할되기 때문에 내부 단편화는 발생하지 않지만, 사용 중인 프로세스가 종료되어 메모리에 새로운 프로세스를 올릴 공간이 충분하지 않은 경우 외부 단편화가 발생할 수 있다.
• 가변 분할 방식의 종류로는 최초적합, 최적적합, 최악적합이 있다.
  • 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(internal fragmentation) : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 남는 공간이 많이 발생하는 현상

* 외부 단편화(external fragmentation) : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 프로그램이 들어가지 못하고 남는 공간이 많이 발생하는 현상

* 홀(hole) : 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간

 

불연속 할당

메모리를 연속적으로 할당하지 않은 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법으로, 페이징 기법이 있다. 

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

페이징 기법 외에도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다. 

 

• 페이징(paging)
  • 프로세스의 가상 주소 공간을 동일한 크기의 페이지 단위로 나눈다.
  • 물리적 메모리를 페이지와 동일한 크기의 프레임으로 미리 나누어 둔다.
  • 물리적 메모리의 서로 다른 위치에 나눈 페이지들을 할당한다. 
  • 연속 할당처럼 연속적인 메모리 공간을 만들거나 찾을 필요없이, 빈 프레임이 있다면 바로 할당하면 되므로 외부 단편화 문제를 해결할 수 있다. 
  • 단, 주소 변환이 복잡해진다.

• 세그멘테이션(segmentation)
  • 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식이다. 
  • 프로세스를 이루는 메모리는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 이루어지는데, 세그먼트는 이와 같은 주소 공간 전체를 크게는 하나의 세그먼트로 보기도 한다.
  • 일반적으로 코드, 데이터, 스택 등의 기능 단위로 세그먼트를 정의하며, 프로그램을 구성하는 함수 하나하나를 각각 세그먼트라고 정의할 수도 있다.
  • 주소 공간의 일부를 공유하거나 특정 주소 공간에 접근 제어를 할 경우 크기가 아니라 의미 단위로 공유되기 때문에 공유나 보안 측면에서 강점이 있다.
  • 주의할 점은 논리적 단위로 나눈 것이기 때문에 세그먼트의 크기가 균일하지 않다는 점이다. 
• 페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)
  • 프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유나 보안 측면에 강점을 두고, 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 것을 말한다.