[메모리 관리] 연속 메모리 할당 (+ 스와핑, 외부 단편화)

 

 

 

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연속 메모리 할당은 무엇이며, 어떻게 운영될까?

 

 

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연속 메모리 할당 (Contiguous Memory Allocation)

 

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연속 메모리 할당은

각 프로세스의 크기만큼 메모리 주소를 할당받아 연속적으로 메모리에 배치하는 구조로

프로세스에 연속적인 메모리 공간을 할당하는 방식을 의미한다.

 

 

연속 메모리 할당 방식에는 크게 두 가지 문제를 가지고 있다.
1. 외부 단편화
2. 물리 메모리보다 큰 프로세스는 실행 불가

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스와핑 (Swapping)

 

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스와핑은

메모리상의 빈 공간에 또 다른 프로세스를 적재하여 실행하는 방식을 의미한다.

 

메모리에 적재된 프로세스들 중에는

현재 실행되지 않는 프로세스, 입출력 작업의 요구로 대기 상태가 된 프로세스 등

오랫동안 사용되지 않은 프로세스들을 메모리에서 (스왑 영역으로) 빼낸다.

 

• 스왑 영역 (Swap Space)  :  보조기억장치의 일부 영역 (오랫동안 사용하지 않은 프로세스를 임시 저장하는 곳)
• 스왑 아웃 (Swap-Out)  :  메모리 -> 스왑 영역으로 옮기는 행위
• 스왑 인 (Swap-In)  :  스왑 영역 -> 메모리로 옮기는 행위

"스왑 인"이 동작할 때
"스왑 아웃"하기 전의 메모리 물리 주소와는 다른 주소에 적재될 수 있다.
(해당 주소에 다른 프로세스가 스와핑하여 사용 중 일 수 있기 때문)

"스왑 인", "스왑 아웃"은
운영체제가 자동으로 결정하고 관리하는 것으로
현재 메모리 상황과 프로세스의 상태를 고려하여 필요한 시점에 자동으로 스왑 작업을 수행한다.

 

 

 

스와핑을 이용하면

동시에 실행해야 하는 프로세스들이 요구하는 총 메모리 주소 공간의 크기가

실제 메모리 공간의 크기보다 큰 경우에도 동시에 실행할 수 있다.

1. 프로세스 A를 메모리에 적재(실행)
2. 프로세스 B를 메모리에 적재(실행)
3. 프로세스 C를 메모리에 적재(실행)
4. 프로세스 B를 스왑 아웃 & 프로세스 D를 메모리에 적재(실행)
5. 프로세스 A를 스왑 아웃 & 프로세스 B를 스왑 인(실행)

위와 같은 방식으로 스왑 인/아웃을 적절하게 반복하여 총 4개의 프로세스가 실행되도록 구성한다.

 

사실 위 그림에서 알 수 있는 것처럼
"물리적인 관점"에서는 실제 메모리에 모든 프로세스가 동시에 적재되어 실행되는 것이 아니기에
모든 프로세스가 동시에 실행된다고 볼 수 없지만
"논리적인 관점"으로는 운영체제가 프로세스 전환을 빠르게 처리하여 사용자에게는
동시에 모든 프로세스가 실행되는 것처럼 보이게 만드므로 동시에 실행된다고 볼 수 있다.

즉, 프로세스들이 스와핑을 통해 교대로 실행되어 사용자나 시스템 입장에서는
여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이는 것이다.

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메모리 할당

 

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프로세스는 메모리 내의 빈 공간에 적재(할당)되어야 한다.

만약 메모리 내에 빈 공간이 여러 개가 존재할때는 여러 방법이 존재한다.

 

메모리의 빈 공간에 할당하는 대표적인 방법들

(연속 메모리 할당 방식 기준)

• 최초 적합 (First Fit)  :  순서대로 탐색하여 적재할 수 있는 빈 공간 발견 시 바로 적재
• 최적 적합 (Best Fit)  :  모든 빈 공간을 탐색 후 적재 가능한 공간 중 가장 작은 공간에 적재
• 최악 적합 (Worst Fit)  :  모든 빈 공간을 탐색 후 적재 가능한 공간 중 가장 큰 공간에 적재

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외부 단편화 (External Fragmentation)

 

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외부 단편화는

메모리 관리에서 발생하는 문제로,

메모리 공간은 충분히 존재하지만, 사용할 수 있는 연속적인 메모리 블록이 부족하여

새로운 프로세스를 할당할 수 없는 상태를 의미한다.

 

즉, 연속 메모리 할당 방식에서 발생하는 문제점 중 하나다.

 

 

 

[1]

모든 프로세스가 연속적으로 차근차근 메모리에 적재되어 실행 중인 상태다.

 

[2]

프로세스 B와 D는 모든 작업이 완료되어 메모리 공간을 반납한 상태다. (30MB, 20MB 빈 공간 발생)

 

[2-1]

현재 메모리에 빈 공간은 총 50MB가 존재하지만 50MB짜리 프로세스를 적재할 수는 없다.

 

[2-2]

25MB짜리 프로세스를 30MB의 빈 공간에 적재한 상태로 5MB의 빈 공간이 생겼다.

 

 

즉, 프로세스들이 메모리에 연속적으로 할당되는 환경에서는

실행과 종료를 반복하면서 메모리 사이 사이에 빈 공간들이 생기게 되고

총 빈 공간은 크더라도 각 빈 공간보다 큰 프로세스를 적재하기는 어려운 상황이 온다.

결국 메모리 낭비로 이어지며 "외부 단편화"현상이 벌어진다.

 

"외부 단편화"를 해결할 수 있는 대표적인 방안으로는 "압축(Compaction)"하는 방법이 존재한다.

[2-3]처럼 흩어져 있는 빈 공간들을 하나로 모으는 방식으로 "메모리 조각 모음"이라고도 부른다.

다만, 해당 방법 또한 여러 단점들이 존재한다.

• 작은 빈 공간들을 하나로 모으는 동안 시스템은 하던 일을 중지해야 함
• 메모리에 존재하는 내용을 옮기는 작업은 많은 오버헤드를 발생
• 어떤 프로세스를 어떻게 움직어야 오버헤드를 최소화할 수 있는지에 대한 명확한 방법을 결정하기 어려움

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