메모리 할당과 단편화

메모리 할당(Memory Allocation)

메모리는 메모리에 상주하는 운영체제를 위한 것과 사용자 프로세스를 위한 것으로 나뉘는데, 메인 메모리는 운영체제뿐만 아니라 여러 사용자의 프로세스도 수용해야 한다. 따라서 메모리의 각 영영은 목적에 맞게 효율적으로 관리되어야 한다.

• 컴퓨터를 사용하면 여러 프로그램을 동시에 사용하는데 이것을 멀티 프로그래밍 환경이라고 함

  • 이런 환경에서 여러 프로세스가 동시에 메모리에 올라와 있는 것이 바람직하기 때문에 메모리에 올라오기 위해 입력 큐에서 기다리는 프로세스들에게 메모리를 얼만큼씩 할당하는 것이 좋은지 생각해야 함

• 메모리 할당은 연속 메모리 할당과 비연속 메모리 할당으로 나뉨

Swapping(스와핑)

• 메모리에서 사용되지 않는 일부 프로세스를 보조기억장치로 내보내고 실행할 프로세스를 메모리로 들여보내는 메모리 관리 기법

  • 스왑 영역(swap space) : 프로세스들이 쫓겨나는 보조기억장치의 일부 영역

  • 스왑 아웃(swap-out) : 현재 실행되지 않는 프로세스가 메모리에서 스왑 영역으로 옮겨지는 것

  • 스왑 인(swap-in) : 스왑 영역에 있던 프로세스가 다시 메모리로 옮겨오는 것

• 스왑아웃 된 프로세스가 다시 스왑 인될 때는 스왑 아웃되기 전의 물리주소와 다른 주소에 적재 될 수 있음

• 스와핑을 이용하면 프로세스들이 요구하는 메모리 주소 공간의 크기가 실제 메모리 크기보다 큰 경우에도 프로세스들을 동시 실행 할 수 있음

메모리 단편화(Memory Fragmentation)

RAM에서 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져 사용 가능한 메모리가 충분히 존재하지만 할당(사용)이 불가능한 상태를 메모리 단편화가 발생했다고 한다.

내부 단편화(Internal Fragmentation)

• 프로그램의 크기보다 분할의 크기가 더 큰 경우, 프로세스가 사용하는 메모리 공간 중 남는 부분이 발생하는 현상

• 하나의 분할 내부에 사용되지 않는 메모리 조각이 생기는 현상

  • 하나의 분할 공간에는 하나의 프로세스만 들어가기 때문(고정 분할 방식 특징)에 다른 프로그램이 들어갈 수 없고, 이는 결국 메모리 낭비로 이어짐

외부 단편화(External Fragmentation)

• 프로그램의 크기보다 분할의 크기가 작은 경우, 분할이 비어있음에도 프로그램을 적재하지 못하는 현상

• 프로세스를 할당하기 어려울 만큼 작은 메모리 공간들로 인해 메모리가 낭비되는 현상

  • 메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복적으로 일어날 때, 할당된 메모리 사이 중간중간 마다 사용하지 않는 작은 공간이 생김

  • 이때 작은 메모리들의 합인 총 메모리 공간은 충분하지만, 실제 할당 가능한 공간은 부족하여 할당할 수 없는 상황

연속 메모리 할당(Contiguous Memory Allocation)

프로세스를 메모리에 올릴 때 주소 공간을 메모리의 한 곳에 연속적으로 적재하는 방식으로, 물리적 메모리를 다수의 분할로 나누어 하나의 분할에 하나의 프로세스가 적재되도록 함

메모리 연속 할당 기법

• 고정 분할(내부단편화) 방식

  • 물리적 메모리를 정해진 개수만큼의 영구적인 분할로 미리 나누어두고 각 분할에 하나의 프로세스를 적재하는 방식

  • 분할의 크기는 모두 동일할 수도 있고 다를 수도 있음

  • 동시에 메모리에 올릴 수 있는 프로그램의 수가 고정되어 있고, 수행 가능한 프로그램의 최대 크기 또한 제한됨

  • 내부단편화와 외부단편화 모두 발생

• 가변/동적 분할(외부단변화) 방식

  • 메모리에 적재되는 프로그램의 크기에 따라 분할의 크기, 개수가 동적으로 변하는 방식

  • 프로그램의 크기를 고려해서 메모리를 할당하고 이를 기술적으로 관리할 수 있는 기법이 필요(동적 메모리 할당 문제)

  • 프로세스에 딱 맞게 메모리 공간을 사용하기 때문에 내부 단편화 발생 x

  • 메모리에 새로운 프로세스를 올릴 공간이 충분하지 않으면 외부 단편화 발생 o

동적 메모리 할당 문제를 해결하는 방법

남은 메모리 공간 중에 프로세스를 어디에 올려야하는지 결정한다. 성능 : 최초, 최적 모두 시간 및 공간 효율성 측면에서 최악보다 좋다.

1. 최초 적합(First fit)

• 운영체제가 메모리 내의 빈 공간을 순서대로 검색하다 적재할 수 있는 공간을 발견하면 그 공간에 프로세스를 배치하는 방식

• 검색을 최소화 할 수 있다

• 시간적 측면에서 효율적이다

• 빠른 할당이 가능하다

Ex) 
빈공간A -> 빈공간B -> 빈공간C -> 빈공간D <br>
운영체제가 이 순서대로 빈 공간을 발견했다면, 빈공간A에 먼저 할당하는 방식

2. 최적 적합(Best fit)

• 운영제체가 빈 공간을 모두 검색해 본 후, 프로세스가 적재될 수 있는 공간중에서 가장 작은(가장 크기가 비슷한)공간에 프로세스를 배치하는 방법

  • 내부 단편화를 최소화하는 공간에 배치

• 공간에 대한 목록이 그 공간의 크기 순서대로 정렬되어 있지 않다면, 최적인 곳을 찾기 위해 전체를 검색해야한다. = 시간적 오버헤드를 발생한다

• 외부 단편화를 초래, 메모리 집약 횟수를 증가시킨다

• 공간적인 측면에서 효율적이다

Ex) 
적재할 프로세스가 18Mb 일떄, <br>
| 빈공간A(50Mb) | 빈공간B(30Mb)| 빈공간C(20Mb)| 빈공간(70Mb)D | <br>
운영체제가 빈공간C에 적재한다 <br>

3. 최악 적합(Worst fit)

• 운영체제가 빈 공간을 모두 검색 해 본 후, 가장 큰 공간에 프로세스를 배치하는 방법

• 최적 적합과 마찬가지로, 크기 순서대로 정렬되어 있지 않다면 전체를 검색한다. = 오버헤드 발생

• 최악적합은 가장 큰 공백에 배치하는 전략이므로, 큰 가용 공간에 프로그램을 할당하기 때문에 남은 공간도 여전히 크므로 다른 프로그램이 실행이 가능하다.

Ex) 
적재할 프로세스가 18Mb 일떄, <br>
| 빈공간A(50Mb) | 빈공간B(30Mb)| 빈공간C(20Mb)| 빈공간(70Mb)D | <br>
운영체제가 빈공간D에 적재한다 <br>

불연속 메모리 할당(Non-Contiguous Memory Allocation)

프로세스를 메모리에 올릴 때, 주소 공간을 물리 메모리의 여러 영역에 분산하여 적재하는 방식

• 가변(동적) 분할 방식 모두 결국에는 외부 단편화 문제가 발생하게 됨

  • 어느 공간에 넣든 결국에는 자투리 공간이 생기기 때문에

• 불연속 메모리 할당 기법으로 외부 단편화 문제를 해결할 수 있음

메모리 불연속 할당 기법

페이징(paging)과 세그먼테이션(segmentation) 참고

Ref

• 메모리 단편화(Memory Fragmentation)가 무엇이고 왜 발생하는가?
• [운영체제 11편] 메모리 할당 (연속할당 방식)
• [OS] 사용자 프로그램 물리 메모리 할당, 연속할당과 불연속 할당에 관하여