메모리

1. 메모리 계층

레지스터(속도 제일 빠름, 용량 제일 적음)

캐시(L1, L2 캐시)

메모리(RAM) / 주기억장치

저장장치(HDD, SSD) / 보조기억장치(속도 제일 느림, 용량 제일 큼)

 

- 레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘봘성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적음

- 캐시: L1, L2 캐시를 지칭. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적음

- 주기억장치: RAM을 지칭. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통

- 보조기억장치: HDD, SDD를 지칭, 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많음

 

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할.

계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라지는 특징이 있음.

계층이 있는 이유는 경제성과 캐시 때문.

 

> 캐시

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

 

* 지역성의 원리

캐시를 직접 설정할 때는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야함.

자주 사용하는 데이터에 대한 근거는 '지역성'

지역성은 시간 지역성과 공간 지역성으로 나뉨.

 

* 시간 지역성

시간 지역성은 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 말함.

예시로 반복문에서 변수 i에 계속해서 접근하는 것을 들 수 있음.

 

* 공간 지역성

공간 지역성은 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성을 말함.

 

> 캐시히트와 캐시미스

캐시에서 원하는 데이터를 찾았을 경우 캐시히트라 함.

해당 데이터가 캐시에 없어 주메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라 함.

 

* 캐시매핑

캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말함.

CPU의 레지스터와 주 메모리 간에 데이터를 주고받을 때를 기반.

레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘 해주려면 이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요함.

 

* 웹 브라우저의 캐시

웹 브라우저는 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지의 캐시를 갖고 있음.

 

- 쿠키

쿠키는 만료기한이 있는 키-값 저장소.

same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송되며, 4kb까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있음.

쿠키 설정 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요하며, 클라이언트 또는 서버에서 만료기한 등을 정할 수 있는데 보통 서버에서 만료기한을 정함.

 

- 로컬 스토리지

로컬 스토리지는 만료기한이 없는 키-값 저장소.

10mb까지 저장할 수 있으며, 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도매인 단위로 저장, 생성 됨.

HTML5를 지원하지 않는 브라우저에서는 사용할 수 없음.

클라이언트에서만 수정 가능.

 

- 세션 스토리지

세션 스토리지는 만료기한이 없는 키-값 저장소.

탭 단위로 세션 스토리지를 생성.

탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제됨.

5mb까지 저장 가능.

HTML5를 지원하지 않는 브라우저에서는 사용할 수 없음.

클라이언트에서만 수정 가능

 

*데이터베이스의 캐싱 계층

데이터베이스 위에 레디스 데이터베이스 계층을 캐싱 계층으로 둬서 성능을 향상시키기도 함.

 

 

2. 메모리 관리

> 가상 메모리

가상 메모리는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말함.

 

가상적으로 주어진 주소를 가장 주소라고 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소라고 함.

가상 주소는 메모리관리장치에 의해 실제 주소로 변환.

사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축 가능.

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고, 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리.

속도 향상을 위해 TLB를 사용.

 

* TLB

메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시.

페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층.

 

* 스와핑

가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생.

이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라 함.

이를 통해 페이지 폴트가 일어나지 않는 것처럼 만듦.

 

* 페이지 폴트

페이지 폴트는 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생.

 

* 페이지

가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

* 프레임

실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

 

> 스레싱

스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미.

이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래함.

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생

 

 

> 메모리 할당

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

 

* 연속 할당

연속 할당은 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것.

연속 할당은 메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과 매 시점 프로그램 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변 분할 방식이 있음.

 

* 고정 분할 방식

고정 분할 방식은 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없음.

내부 단편화가 발생

 

* 가변 분할 방식

가변 분할 방식은 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나누어 사용.

내부 단편화는 발생하지 않고 외부 단편화가 발생할 수 있음.

 

* 내부 단편화

메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

* 외부 단편화

메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상.

 

- 참고

https://m.blog.naver.com/rbdi3222/220623825770

 

 

 

> 불연속 할당

메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 우녕체제가 쓴느 방법으로 불연속 할당인 페이징 기법이 있음.

메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것.

페이징 기법 말고도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있음.

 

* 페이징

페이징은 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당.

홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해짐.

 

* 세그멘테이션

세그멘테이션은 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식.

프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데, 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있음.

공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생.

 

* 홀

할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간

 

* 페이지드 세그멘테이션

페이지드 세그멘테이션은 공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것.

 

 

 

> 페이지 교체 알고리즘

메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어남.

스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 함.

페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어남.

 

* 오프라인 알고리즘

오프라인 알고리즘은 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘.(사용할 수 없으며 비교에 대한 기준을 제공)

 

* FIFO(First In First Out)

FIFO는 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법

 

* LRU(Least Recentle Used)

LRU는 참조가 가장 오래된 페이지를 바꿈.

오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있음.

 

* NUR

LRU에서 발전한 알고리즘

clock 알고리즘이라고 하며 먼저 0과 1을 가진 비트를 둠.

1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미.

시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘.

 

*LFU

LFU는 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체.

 

 

 

- 참고

http://www.yes24.com/Product/Goods/108887922