[OS] 메모리 할당 기법(연속 할당, 불연속 할당)에 대해 알아보자.

운영체제는 프로그램이 실행되어 프로세스가 되기 위해 필요한 메모리를 할당할 때 시작 메모리 위치, 메모리 할당 크기를 기반으로 할당할 위치(메모리의 주소)를 정합니다. 이 때 메모리 할당 방식에는 크게 두 가지로 '연속할당'방식과 '불연속할당' 방식이 있습니다. 이번 포스팅에서 이 두 가지 방식에 대해 알아봅시다.

 

먼저 연속할당 방식입니다.

연속 할당 방식

연속할당 방식

 

연속할당 방식은 메모리에 '연속적'으로 공간을 할당하는 것을 말합니다.

 

연속할당 방식은 고정분할 방식과 가변분할 방식으로 나눌 수 있습니다.

 

1. 고정분할 방식

고정 분할 방식은 물리적 메모리를 미리 같은 크기로 분할해서 할당하는 방법을 말합니다. 미리 나누어둔 분할에 하나의 프로세스를 적재해 실행시킬 수 있게 하는 방식입니다. 그런데 만약 분할한 크기보다 더 큰 메모리를 요구하는 프로그램이 들어오게 되면 어떻게 될까요?

분할 크기보다 큰 프로그램은 메모리에 적재되지 못하는 외부 단편화 문제

그림과 같이 2의 크기로 고정분할하게 되면 2보다 작거나 같은 프로세스들은 메모리에 적재될 수 있지만, 2보다 큰 프로세스는 메모리에 적재될 수 없게 됩니다. 이렇게 메모리에서 사용가능한 공간을 사용하지 못하게 되는 현상을 "외부 단편화" 라고 합니다!

분할 크기보다 작은 프로그램이 메모리에 적재되는 경우 사용하지 않는 남는 공간이 발생하는 내부 단편화 문제

 

그렇다면 고정분할 방식에서는 외부 단편화 말고는 문제가 없을까요? 그렇지 않습니다.

만약 위 그림에서 P2가 요구하는 메모리 크기가 1이라고 해봅시다. 그러면 고정분할에 따라 할당받은 메모리의 크기는 2인데 1밖에 사용하지 못하게 되어 1의 남는 공간이 발생하죠? 이처럼 할당받았지만, 사용하지 않는 공간이 발생하는 것을 "내부 단편화"라고 합니다.

 

외부 단편화, 내부 단편화가 발생하게 되면 사용하지 않는 공간이 발생하게 되어, 메모리가 낭비되게 됩니다. 

 

2. 가변 분할 방식

가변 분할 방식은 고정분할 방식과 달리 프로그램의 크기에 따라 동적으로 할당하는 방법입니다.

가변 분할 방식

• 동적으로 할당하기 때문에 내부 단편화 문제는 발생할 일이 없지만, 외부 단편화 문제는 여전히 발생할 수 있습니다.

이렇게 외부 단편화가 발생한 상태에서 이 빈 공간에 공간의 크기보다 큰 프로그램이 실행되는 경우 내부 단편화 문제가 발생합니다. 따라서 이 현상을 막기 위해서는 어떤 위치에 올릴 지 결정하는 것이 중요한데요, 대표적인 방법으로 3가지가 있습니다.

• 최초적합(First fit) : 최상단 또는 최하단에서부터 들어갈 수 있는 홀을 찾으면 바로 할당하는 방식. 
  • 모든 공간을 탐색할 필요가 없으므로 오버헤드 발생 X. 시간적인 측면에서는 제일 효율적인 방식입니다
• 최적적합(Best fit) : 필요한 메모리 크기 이상인 공간 중에서 가장 작은 홀에 할당하는 방식. 
  • 모든 공간을 탐색해야 하기 때문에 오버헤드가 발생하지만 공간적인 측면에서는 제일 효율적입니다.
• 최악적합(Worst fit) : 프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당하는 방식. 가장 널널한 곳에 들어가기 때문에 내부 단편화 발생.
  • 마찬가지로 모든 공간을 탐색해야 하니 오버헤드도 발생하고 공간적인 측면에서도 제일 비효율적..

세 가지 방식 모두 내부 단편화가 발생할 여지가 있으나, 최적적합이 가장 내부단편화가 작게 발생하고 그 다음으로 최초 적합, 그 다음으로 최악 적합이 내부 단편화가 크게 발생할 여지가 있습니다.

 

가변 분할 방식에서 발생하는 내부 단편화 문제를 해결하는 3가지 방법을 알아보았습니다. 그렇다면 외부 단편화 문제는 해결할 수 없을까요? 

 

메모리 컴팩션으로 해결할 수 있습니다! 

 

메모리 컴팩션이란?

메모리 컴팩션

• 프로세스가 종료된 자리에서 생겨난 가용공간을 없애기 위해 적재된 프로세스들을 한쪽으롷 몰고 가용공간을 다른한쪽으로 모아서 하나의 큰 가용공간을 만드는 것을 "메모리 컴팩션"이라고 합니다.
• 이렇게 프로세스들을 한쪽으로 쭉 이동시켜, 위에 빈 공간을 만든다면 외부에 빈 조각이 생겨나는 외부 단편화 문제를 막을 수 있답니다.
• 하지만 이렇게 프로세스들을 이동시키는 것도 비용이 매우 많이 드는 작업입니다.

 

불연속 할당

불연속 할당 기법은 메모리를 연속적으로 할당하지 않는 방법으로 현대 운영체제에서 사용하는 방식입니다.

불연속 할당 기법은 프로그램에 필요한 메모리를 "쪼개어" 서로 다른 위치에 있는 메모리 공간에 할당하는 방식으로, 대표적으로 페이징 방식과 세그먼테이션 기법이 있습니다.

 

페이징 

 

페이징은 프로세스를 할당할 때 "동일한 크기"의 페이지 단위로 나누어 메모리의 "서로 다른 위치"에 프로세스를 할당하는 방식입니다.

• 모든 프로세스를 일정한 크기로 나누어서 할당하기 때문에 홀의 크기가 균일하지 않아 발생하는 외부 단편화 문제는 없지만, 주소 변환을 페이지별로 해야 하기 때문에 주소 변환이 복잡해지는 단점이 있습니다.

Q. 페이징에서 내부 단편화는 발생하지 않나요?
A. 발생할 수 있습니다. 페이징 사이즈가 2일때 5의 크기를 가진 프로그램을 페이징하면 2/2/1로 나눌 수 있어요. 이 때 마지막 페이지에서 (2-1)의 내부 단편화가 발생합니다.

 

세그먼테이션

• 세그먼테이션 방식은 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 Segment로 나누는 방식입니다. 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 영역으로 나누어져서 메모리가 할당되는데 이러한 논리적인 영역을 세그먼트라고 합니다.
• 이 코드, 데이터 영역 등 세그먼트들 내부에서도 더 작은 세그먼트로 나눌 수 있어요. 
  • 코드영역에는 여러 함수들이 존재하는데 이 코드영역 전체를 세그먼트로 올리는 것이 아닌 a 함수 세그먼트, b함수 세그먼트와 같이 쪼개서 메모리에 할당합니다.
• 세그먼트를 메모리에 할당할 때는 페이지를 할당하는 것과 동일하지만 이 때 Segment Table이라는 주소와 크기를 담고 있는 테이블을 통해 메모리에 할당합니다.
• 프로세스의 영역별로 다른 주소에 메모리를 할당받기 때문에 공유와 보안 측면에서는 좋지만, 홀 크기가 균일하지 않아 발생하는 외부 단편화 문제가 있습니다.
• 영역별로 크기에 맞게 동적으로 할당하기 때문에 내부 단편화 문제는 발생하지 않는다는 점!

 

이번 포스팅에서는 이렇게 메모리 할당 기법에 대해 알아보았습니다! 

 

<참고 자료>

[운영체제 11편] 메모리 할당 (연속할당 방식)