운영체제의 메모리 할당(Memory Allocation)

 

 

메모리 할당(Memory Allocation)

우리가 흔히 생각하는 프로세스의 메모리 할당 방식은 연속 메모리 할당 방식입니다. 메모리 내에 프로세스들이 연속적으로 배치되는 상황이죠.

 

 

하지만 연속 메모리 할당에는 여러 문제점이 있습니다. 그리고 그 문제를 해결하기 위해서는 페이징 기법을 사용합니다. 페이징 기법은 바로 이어서 다루겠습니다. 메모리에 적재된 프로세스들 중에는 현재 사용되지 않는 프로세스들이 있습니다. 이러한 프로세스들을 임시로 보조기억장치 일부로 쫓아내고, 그렇게 생긴 빈 공간에 새 프로세스를 적재하여 실행합니다. 이러한 방식을 스와핑(Swapping)이라고 합니다.

 

그리고 보조기억 장치에 사용되지 않는 프로세스를 적재하는 일부 영역을 스왑 영역이라고 합니다. 그리고 실행 프로세스를 메모리에 적재하는 것을 스왑 인, 반대의 경우는 스왑 아웃입니다. 스와핑을 사용하는 이유는 실제 메모리 크기는 한정적인데 프로세스들이 요구하는 메모리 공간의 크기가 큰 경우에도 프로세스들을 동시에 실행할 수 있습니다. 바로 가상메모리를 사용하는 이유겠죠.

 

 

검은색 부분은 프로세스를 적재할 수 있는 메모리 영역

이처럼 프로세스들이 요구하는 메모리 공간의 크기가 실제 메모리 크기보다 크더라도 모두 실행할 수 있습니다. 스왑영역의 크기를 확인하려면 free, top 명령어를 사용하면 됩니다.

 

 

 

메모리 할당 규칙

그러면 프로세스는 메모리 내 빈 공간이 여러 개 있을 때 어디에 배치되어야 할까요? 메모리 할당 규칙에는 대표적으로 최초 적합, 최적 적합, 최악 적합이 있습니다. 예제와 함께 보겠습니다.

 

 

위 같은 상황에서 20MB 크기의 프로세스를 적재하고 싶을 때(빈 공간은 A, B, C) 메모리 할당 규칙에 따라 어떻게 배치되는 지 살펴보겠습니다.

 

왼쪽부터 최초 적합, 최적 적합, 최악 적합 결과

최초 적합(First Fit)

최초 적합은 운영체제가 메모리 내 빈 공간을 순서대로 검색하다가 적재할 수 있는 공간을 발견하면 그 공간에 프로세스를 바로 배치하는 방식입니다. 장점은 검색을 최소화할 수 있고 빠른 할당이 가능합니다.

최초 적합에서는 메모리의 위에서 부터 내려오다가 빈공간 A를 가장 먼저 만났고 적재 가능하므로 바로 빈공간 A에 적재하는 모습입니다.

최적 적합(Best Fit)

최적 적합은 운영체제가 빈 공간을 모두 검색해본 뒤, 적재 가능한 가장 작은 공간에 할당하는 방식입니다.

최적 적합에서는 운영체제가 빈 공간을 모두 검색해본 결과, 적재 가능한 가장 작은 공간이 C이기 때문에 빈 공간 C에 할당되는 모습입니다. 최적적합은 검색 시간은 늘지만 메모리 단편화를 최소로 줄일 수 있다는 특징이 있습니다.

최악 적합(Worst Fit)

최악 적합은 운영체제가 빈 공간을 모두 검색해본 뒤, 적재 가능한 가장 큰 공간에 할당하는 방식입니다. 최적 적합과 반대의 개념이죠.

최악 적합에서는 운영체제가 빈 공간을 모두 검색해본 결과, 적재 가능한 가장 큰 공간이 B이기 때문에 빈 공간 B에 할당되는 모습입니다. 최악적합은 검색 시간과 메모리 단편화 모두 큰 방식입니다.

 

 

 

외부 단편화

사실 프로세스를 메모리에 연속적으로 배치하는 연속 메모리 할당은 메모리를 효율적으로 사용하는 방법이 아닙니다. 연속 메모리 할당은 외부 단편화(External Fragmentation) 문제가 있습니다. 외부 단편화는 프로세스들이 실행되고 종료되기를 반복하면서 메모리 사이에 빈 공간이 발생하는 것을 뜻합니다.

 

빈 메모리 공간은 총 50MB지만 50MB의 프로세스를 적재하진 못합니다

 

메모리 내의 여러 작은 조각들로 나뉘어진 프리 스페이스(free space)가 존재하고, 프로세스가 실행을 위해 필요한 큰 블록을 할당하려고 할 때 그 블록을 만들어낼 충분한 연속된 공간이 없는 경우에 발생합니다. 이는 곧 메모리 낭비로 이어집니다. 

외부 단편화를 해결할 수 있는 대표적인 방안으로 메모리 압축(Compaction)이 있습니다. 메모리 조각 모음입니다. 놀고 있는 빈 공간들을 하나로 모으는 방식입니다.

메모리 압축

하지만 메모리 압축 방식은 단점이 많습니다. 작은 빈 공간들을 하나로 모으는 과정에서 많은 오버헤드를 야기하고, 시스템은 하던 일을 중지해야만 합니다. 따라서 현대 운영체제에서 외부 단편화를 최소화하기 위해 선택하는 가장 대중적인 방법이 가상 메모리 기법과 페이징입니다. 가상 메모리에 대해서는 다음 포스팅에서 자세히 알아보겠습니다!

 

---

 

출처: 혼자공부하는 컴퓨터구조+운영체제