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메모리 단편화 현상과 해결 방법 : Memory Fragmentation
Memory Fragmentation 현상이란? (메모리 단편화). Fragmentation에는 2가지가 있는 데, 하나는 외부 단편화(external fragmentation) 이고, …
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Date Published: 7/12/2022
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메모리 단편화(Fragmentation)에 대한 해결방법 – 꿀잼모아
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Date Published: 7/24/2022
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메모리 단편화(Memory Fragmentation) – 개발라마
페이징(Paging) – 가상 메모리 사용, 외부 단편화 해결. 보조기억장치를 이용한 가상 메모리(Virtual Memory)를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 …
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메모리 관리 3 – 메모리 단편화(Memory Fragmentation)
메모리 단편화 해결 방법에 어떤 것들이 있는지 설명할 수 있다. 메모리 단편화(Memory Fragmentation)란? 메모리 단편화란 메모리 공간이 비효율적으로 …
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Date Published: 2/20/2022
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메모리 단편화(Memory Fragmentation) – 꽈이의 게임개발
가상메모리사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재. 보조기억장치를 이용한 가상메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 페이지라고 하고 RAM을 …
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메모리 단편화 (Memory Fragmentation) – 끄적이는 개발노트
1. 페이징 (Paging) – 가상메모리 사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재. 먼저 페이지(Page)는 보조기억장치를 이용한 가상메모리를 같은 크기의 …
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Date Published: 8/25/2021
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메모리 단편화(Memory Fragmentation)가 무엇이고 왜 발생 …
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Date Published: 4/16/2022
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메모리 단편화와 내부 단편화, 외부 단편화 개념 및 차이점?
메모리 파편화 문제 해결 방법. 1. 페이징(Paging)기법 – 가상메모리사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재. 보조기억장치를 이용한 가상메모리를 …
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Date Published: 10/1/2021
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Top 8 메모리 단편화 해결 The 142 New Answer
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Date Published: 7/30/2022
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메모리 단편화를 해결하는 세 가지 방법
외부 단편화는 물리 메모리(RAM)에서 할당할 수 없는 작은 공간들이 생기는 것을 말한다. 아래 표를 RAM(주 기억 장치의 물리 메모리)이라고 해보자.
Source: daco2020.tistory.com
Date Published: 8/1/2022
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주제에 대한 기사 평가 메모리 단편화 해결
- Author: 그리타GRITA
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- Date Published: 2020. 5. 20.
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메모리 단편화 현상과 해결 방법 : Memory Fragmentation
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Memory Fragmentation 현상이란? (메모리 단편화)
Fragmentation에는 2가지가 있는 데, 하나는 외부 단편화(external fragmentation) 이고, 다른 하나는 내부 단편화(internal fragmentation) 입니다.
external fragmentation(외부 단편화)
– 총 공간을 계산 하였을 때 충분한 메모리가 있음에도, 연속적이지 못해 데이터를 저장할 수 없을 때를 이야기합니다.
예를 들어 메모리에 남은 공간이 총 3기가일 때, 필요한 메모리의 양도 3기가이어서 메모리를 할당 받을 수 있을 것 같지만, 이 남은 공간 3기가가 1기가 * 3개로 나누어져 있는 상황을 말합니다.
internal fragmentation(내부 단편화)
– 고정된 길이만큼 메모리를 할당 할 때 발생하는 fragmentation입니다.
예를 들어 1기가가 필요한데 4기가를 할당해주어서 3기가가 낭비되고 있는 상황입니다.
먼저 주목해야 하는 것이 있습니다. internal fragmentation은 고정 길이 메모리 할당 방식에서 무조건 발생 한다는 것이죠. 레코드를 고정길이로 할당하든, 필드를 고정 길이로 할당하든, OS에서 메모리를 고정 길이로 할당하든. 고정 길이 방식의 고질적인 문제가 이 내부 단편화 인 것이죠.
반면에 가변 길이로 메모리를 할당하게 되면 “초기”에는 이러한 internal fragmentation(내부 단편화)가 발생하지 않습니다. 여기서 주의 해야 할 점은 “초기”입니다.
즉, 시간이 지나면 결국 internal fragmentation이 발생하게 됩니다. 메모리의 재 사용과 삭제가 발생하면서 말이죠. 어떤 레코드를 삭제하고, 그 공간을 재 사용 하려고 할 때, 재 사용 할 수 있는 공간이 3기가인데, 새로운 레코드의 길이가 2기가 라면 1기가의 internal fragmentation이 발생하게 됩니다. 그리고 이러한 공간이 모이고 모여서 external fragmentation 또한 발생하게 되죠.
– 고정 길이 방식 : 기본적으로 internal fragmentation이 존재한다. 메모리를 많이 할당하게 되면서 external fragmentation이 발생하게 되기도 한다.
– 가변 길이 방식 : 기본적으로는 internal fragmentation이 존재하지 않지만, 삭제 레코드를 재사용할 때 그 크기에 딱 맞는 레코드가 들어오지 않는 이상 internal fragmentation이 발생한다. 추후 external fragmentation이 발생하게 된다.
그렇다면 결국 가변 길이 방식과 고정 길이 방식 모두 내부 단편화와 외부 단편화가 발생하게 되는데요.
주로 OS에서는 Paging 기법(고정 길이 방식)을 사용 합니다. 고정 길이 방식에서 주로 발생하는 internal fragmentation이 비용이 더 적게 해결 할 수 있다고 판단 하는 것이지요.
Memory Fragmentation 해결 방법
: 낭비 공간의 처리 (storage Fragmentation)
external fragmentation의 해결방안
1) storage compaction(압축) : 주기적으로 삭제 공간을 회수하여 메모리 공간들을정리하는 방식 입니다. 비용이 많이 들어 자주 쓸 수 없는 것이 단점입니다. 주로 정해진 주기에 따라서 실행 됩니다.
2) Coalescing(통합) : 단편화로 인해 쪼개진 공간들 중 인접한 공간들을 합쳐서 더 크게 만드는 방식입니다.
3) placement strategy (배치 전략): 배치를 잘하는 방식을 사용하여 단편화의 발생 가능성을 최대한 줄이는 방식입니다. (best-fit, first-fit, worst-fit) 사실 시간이 지나면 어떤 방식을 쓰든 그게 그거인 경우가 대부분 입니다…
4) paging 기법 사용 : 고정 길이 방식의 대표 유형
Internal fragmentation의 해결 방법
1) Segmentation(세그멘테이션) : 가변 길이 방식의 대표 유형
2) 메모리 풀 : 동적 할당의 방식 중 하나. 미리 필요한 만큼 할당 받아서 만들어 둔 다는 것이 동적 할당(즉흥적으로 만들어짐)과 차이점 입니다.
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메모리 단편화(Fragmentation)에 대한 해결방법
메모리 단편화에 대한 개념과 이에대한 해결방법에 대하여 알아보겠다.
메모리 단편화
RAM에서 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져 사용가능한 메모리가 충분히 존재하지만 할당(사용)이 불가능한 상태를 보고 메모리 단편화 가 발생했다고 한다. 메모리 단편화는 내부 단편화와 외부 단편화로 구분 가능하다.
내부 단편화(Internal Fragmentation)
메모리를 할당할 때 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어서 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비 되는 상황
* 예를 들어 메모장을 켰는데 OS가 4kb를 할당해줬다. 그런데 사실상 1kb만큼만 사용하고 있을 때 필요 이상으로 프로세스가 메모리를 할당받았으므로 내부 단편화가 3kb만큼 생긴 것임.
외부 단편화(External Fragmentation)
메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복될 때 작은 메모리가 중간중간 존재하게 된다. 이 때 중간중간에 생긴 사용하지 않는 메모리가 많이 존재해서 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황이다.
* 예를 들어 메모리 처음 주소에 8mb짜리 프로세스가 할당되었고 바로 이어서 16mb짜리 프로세스가 할당되었다고 가정했을 때 8mb짜리 프로세스를 종료시키면 메모리 처음 주소부터 8mb만큼 공간이 생긴다.
이런 식으로 계속해서 빈 메모리가 쌓이는데 예를 들어서 빈 메모리의 공간중에 제일 큰 빈 메모리가 8mb라고 한다면 9mb짜리 프로세스를 할당을 해야할 때 마땅한 공간은 없지만 전체적으로 메모리 여유는 있을 때 외부단편화가 생겼다고 한다.
메모리 단편화 해결방법
메모리 단편화에 대한 해결방법은 압축/통합/페이징/세그먼트/메모리풀 이 있다. 좀더 구체적으로 살펴보겠다.
압축(Compaction)
메모리 공간들을 재배치 하여, 단편화로 인해 분산되어 있는 메모리공간들을 하나로 합치는 기법이다.
통합(Coalescing)
단편화로 인해 분산된 메모리공간들을 인접해 있는 것끼리 통합시켜 큰 메모리 공간으로 합치는 기법이다. 압축은 재배치가 일어나지만 통합은 인접한 공간들끼리 통합된다는 차이가 있다.
페이징(Paging) – 가상 메모리 사용, 외부 단편화 해결
보조기억장치를 이용한 가상 메모리(Virtual Memory)를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 페이지(Page)라고 한다.
주 기억장치를 페이지와 같은 크기로 나눈 것을 프레임(Frame)이라고 한다.
페이징 기법이란 사용하지 않는 프레임을 페이지에 옮기고(swap-out), 필요한 메모리를 페이지 단위로 프레임에 옮기는(swap-in) 기법이다(중기 스케줄링). 외부 단편화는 해결이 되지만 내부 단편화는 해결되지 않는다.
세그멘테이션(Segmentation) – 가상 메모리 사용, 내부 단편화 해결
가상메모리를 사용한다는 것으로는 페이징 기법과 유사하지만 같은 크기로 나누지 않고 서로 다른 크기로 나누고 단위는 세그먼트(Segment)라고 하며, 이를 이용한 메모리 관리 기법을 세그멘테이션 기법이라고 한다. 내부 단편화는 해결이 되지만 외부 단편화는 해결되지 않는다.
메모리 풀(Memory pool) – 내부 단편화, 외부 단편화 해결
동적 할당과 비슷한 개념이지만 필요한 메모리 공간을 필요한 크기, 갯수만큼 사용자가 직접 지정하여 미리 할당받아 놓는다는 점에서 차이가 있다. 미리 할당받아서 메모리 풀을 만들어 놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 것이 메모리 풀 기법이다.
메모리 풀 없이 동적할당과 해제를 반복하면 랜덤한 위치에 할당과 해제가 반복되면서 단편화를 일으킬 수 있지만 미리 공간을 할당해 놓는다면 필요할 때마다 할당받았던 메모리 공간을 가져다 쓰고 반납하기 때문에 메모리 할당과 해제로 인한 외부 단편화가 생기지 않는다. 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화 또한 생기지 않는다는 장점이 있다. 하지만 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비량보다 메모리 풀을 만들었지만 쓰이지 않는 메모리의 양이 큰 경우에는 사용하지 않아야 한다.
사전상의 의미인 내부 단편화와 외부 단편화는 생기지 않지만 미리 할당해 놓고 사용하지 않는 순간에도 역시 메모리 누수가 일어나는 것이므로 잦은 동적할당과 해제가 일어날 경우에 사용하는 것이 바람직하다.
연관정보 : 캐시메모리 개념과 매핑기법
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메모리 단편화(Memory Fragmentation)
메모리 단편화(Memory Fragmentation)란?
주 기억장치에서 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져서, 사용하기에 충분한 양의 메모리가 존재는 하지만 사실상 사용이 불가능한 경우 메모리 단편화가 발생했다고 한다. 메모리 단편화는 내부 단편화와 외부 단편화로 구분할 수 있다.
내부 단편화(Internal Fragmentation)
필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당이 되어서 할당 된 메모리 내부에 사용하는 메모리 공간 이외에 사용하지 않는 메모리 공간이 발생했을 때를 말한다.
외부 단편화(External Fragmentation)
메모리가 할당이 되고 해제가 되는 작업이 반복될 때 작은 단위의 메모리가 띄엄띄엄 존재하게 되는데 빈 메모리의 전체 공간은 충분한 양이지만 실제로 사용할 수 없는 경우를 말한다.
메모리 단편화(Memory Fragmentation) 해결 방법
압축(Compaction)
메모리 공간들을 재배치 하여, 단편화로 인해 분산되어 있는 메모리공간들을 하나로 합치는 기법이다.
통합(Coalescing)
단편화로 인해 분산된 메모리공간들을 인접해 있는 것끼리 통합시켜 큰 메모리 공간으로 합치는 기법이다. 압축은 재배치가 일어나지만 통합은 인접한 공간들끼리 통합된다는 차이가 있다.
페이징(Paging) – 가상 메모리 사용, 외부 단편화 해결
보조기억장치를 이용한 가상 메모리(Virtual Memory)를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 페이지(Page)라고 한다.
주 기억장치를 페이지와 같은 크기로 나눈 것을 프레임(Frame)이라고 한다.
페이징 기법이란 사용하지 않는 프레임을 페이지에 옮기고(swap-out), 필요한 메모리를 페이지 단위로 프레임에 옮기는(swap-in) 기법이다(중기 스케줄링). 외부 단편화는 해결이 되지만 내부 단편화는 해결되지 않는다.
세그멘테이션(Segmentation) – 가상 메모리 사용, 내부 단편화 해결
가상메모리를 사용한다는 것으로는 페이징 기법과 유사하지만 같은 크기로 나누지 않고 서로 다른 크기로 나누고 단위는 세그먼트(Segment)라고 하며, 이를 이용한 메모리 관리 기법을 세그멘테이션 기법이라고 한다. 내부 단편화는 해결이 되지만 외부 단편화는 해결되지 않는다.
메모리 풀(Memory pool) – 내부 단편화, 외부 단편화 해결
동적 할당과 비슷한 개념이지만 필요한 메모리 공간을 필요한 크기, 갯수만큼 사용자가 직접 지정하여 미리 할당받아 놓는다는 점에서 차이가 있다. 미리 할당받아서 메모리 풀을 만들어 놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 것이 메모리 풀 기법이다.
메모리 풀 없이 동적할당과 해제를 반복하면 랜덤한 위치에 할당과 해제가 반복되면서 단편화를 일으킬 수 있지만 미리 공간을 할당해 놓는다면 필요할 때마다 할당받았던 메모리 공간을 가져다 쓰고 반납하기 때문에 메모리 할당과 해제로 인한 외부 단편화가 생기지 않는다. 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화 또한 생기지 않는다는 장점이 있다. 하지만 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비량보다 메모리 풀을 만들었지만 쓰이지 않는 메모리의 양이 큰 경우에는 사용하지 않아야 한다.
사전상의 의미인 내부 단편화와 외부 단편화는 생기지 않지만 미리 할당해 놓고 사용하지 않는 순간에도 역시 메모리 누수가 일어나는 것이므로 잦은 동적할당과 해제가 일어날 경우에 사용하는 것이 바람직하다.
메모리 관리 3 – 메모리 단편화(Memory Fragmentation)
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Goal
내부 단편화, 외부 단편화에 대해 설명할 수 있다.
메모리 단편화 해결 방법에 어떤 것들이 있는지 설명할 수 있다.
메모리 단편화(Memory Fragmentation)란?
메모리 단편화란 메모리 공간이 비효율적으로 사용되어 저장 공간이 낭비되는 것을 말한다.
메모리 단편화로 일어날 수 있는 현상
총 메모리 공간은 충분 하지만 실제 사용이 불가능할 수 있다.
실제 사용 가능한 공간이 줄어들어 시스템 성능의 저하를 일으킬 수 있다. 실제 사용할 수 있는 공간을 찾는 과정이 필요 잦은 페이지 교체 swapping
메모리 단편화의 종류로 내부 단편화, 외부 단편화가 있다.
내부 단편화(Internal fragmentation)
할당한 영역 중 사용되지 않는 공간으로 인해 공간이 낭비되는 것을 의미한다.
‘내부’라는 용어는 할당한 영역 내부에 사용되지 않는 공간이 있다는 것을 뜻한다.
ex)
페이징 기법에서 한 페이지를 크게 할 경우 내부 단편화가 발생할 수 있다.
배열을 너무 크게 잡은 경우
외부 단편화(External fragmentation)
메모리 여유 공간이 띄엄 띄엄 존재해서 실제로 사용할 수 없는 경우를 의미한다.
‘외부’라는 용어는 사용할 수 없는 기억 장소가 할당된 영역 밖에 있다는 것을 뜻한다.
ex)
동적 메모리 할당 해제를 자주 하는 경우
메모리 단편화 해결 기법
페이징/세그멘테이션 혼용
페이징(paing) : 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재
세그멘테이션(sementation) : 내부 단편화 해결, 외부 단편화 존재
운영체제에서 사용하는 방법이다.
메모리 풀(memory pool)
미리 고정된 크기의 메모리를 할당받아 메모리 동적 할당을 가능하게 해준다.
new, delete와 같이 할당/해제의 기능을 제공한다.
하지만, 처음 미리 할당 받은 공간에 대해서 일정 크기 블록을 나눠주고 회수하는 방식이라 단편화가 발생하지 않는다.
잦은 동적 할당/해제가 필요한 경우 사용하는 방식이며, 프로그래머가 직접 구현해서 사용할 수 있는 방식이다.
장점
실행 시간으로 단편화 없이 메모리를 할당할 수 있다.
실행 시간(run-time)에 블록을 할당하고 해제하는데 적은 비용이 든다. (잦은 동적 할당/해제에 비해)
다른 크기를 관리하는 여러개의 할당자를 두고 관리할 수 있다.
단점
사용하는 공간보다 더 많은 공간을 할당 받은 경우 낭비가 발생할 수 있다. (내부 단편화)
통합과 압축
일반적인 단편화 해결 방법으로 내부, 외부 단편화 모두 해결 가능하다.
통합(coalescing) : 인접한 둘 이상의 공백을 그들 사이의 경계를 없애고 하나의 공백으로 합치는 것
coalescing
압축(compaction) : 사용중인 영역과 빈 영역을 각각 한쪽으로 몰아 빈 영역들을 하나로 모으는 것
ex) 디스크 조각 모음
compaction
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메모리 단편화(Memory Fragmentation)
단편화(Fragmentation)
RAM에서 공간이 작은 조각으로 나누어져 사용 가능한 메모리가 충분히 존재하지만 할당이 불가능한 상태이다.
단편화는 내부, 외부 단편화가 있다.
내부 단편화(Internal Frammentation)
메모리를 할당할 때 프로세스의 메모리가 필요한 양보다 더많이 할당되어서 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비 되는 현상이다.
운영체제가 프로세스에 30mb를 할당 해줬을때, 사실상 20mb만 사용하고 있을 경우 내부 단편화가 10mb만큼 발생한다.
30mb의 빈공간에 20mb크기의 프로세스4가 할당되면
10mb의 내부 단편화가 일어나게 됩니다.
외부 단편화(External Fragmentation)
프로세스들의 메모리를 할당하고 난 다음 아주 작은 크기로 남은 조각들이 생겨 사용할 수 없는 작은 메모리 공간들이 생길수 있는데. 이 공간들을 합쳐서 새로운 프로세스가 요구하는 메모리의 크기를 할당할 수 있음에도 불구하고 연속적인 공간이 아니라서 할당을 하지 못하는 경우다.
10mb + 10mb = 20mb의 크기가 남아있지만
20mb의 메모리가 필요한 프로세스4 는 할당 될 수 없다.
문제 해결 방법
문제 해결 방법으로는 페이징(Paging), 세그멘테이션(Segmentation), 메모리 풀(Memory Pool) 이 있다.
페이징(Paging)
가상메모리사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재
보조기억장치를 이용한 가상메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 페이지라고 하고 RAM을 페이지와 같은 크기로 나눈 것을 프레임이라고 할 때,
페이징 기법이란 사용하지 않는 프레임을 페이지에 옮기고, 필요한 메모리를 페이지 단위로 프레임에 옮기는 기법.
페이지와 프레임을 대응시키기 위해 page mapping과정이 필요해서 paging table을 만든다.
페이징 기법을 사용하면 연속적이지 않은 공간도 활용할 수 있기 때문에 외부 단편화 문제를 해결할 수 있다.
대신 페이지 단위에 알맞게 꽉채워 쓰는게 아니므로 내부 단편화 문제는 여전히 있다.
* 페이지 단위를 작게하면 내부 단편화 문제도 해결할 수 있겠지만 대신 page mapping 과정이 많아지므로 오히려 효율이 떨어질 수 있다.
세그멘테이션(Segmentation)
가상메모리사용, 외부 단편화 존재, 내부 단편화 해결
페이징기법에서 가상메모리를 같은 크기의 단위로 분할했지만 세그멘테이션기법에서는 가상메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그먼트로 분할해서 메모리를 할당하여 실제 메모리 주소로 변환을 하게 된다.
각 세그먼트는 연속적인 공간에 저장되어 있다.
세그먼트들의 크기가 다르기 때문에 미리 분할해 둘 수 없고 메모리에 적재될 때 빈 공간을 찾아 할당하는 기법이다.
마찬가지로 mapping을 위해 세그먼트 테이블이 필요하다.
(각 세그먼트 항목별 세그먼트 시작주소와 세그먼트의 길이 정보를 가지고 있음)
프로세스가 필요한 메모리 만큼 할당해주기 때문에 내부단편화는 일어나지 않으나 여전히 중간에 프로세스가 메모리를 해제하면 생기는 구멍, 즉 외부 단편화 문제는 여전히 존재한다.
메모리 풀(Memory Pool)
가상메모리사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 해결
필요한 메모리 공간을 필요한 크기, 개수 만큼 사용자가 직접 지정하여 미리 할당받아 놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 기법
메모리 풀 없이 동적할당과 해제를 반복하면 메모리의 랜덤한(실제로는 알고리즘에 의한) 위치에 할당과 해제가 반복되면서 단편화를 일으킬 수 있겠지만 미리 공간을 할당해놓고 가져다 쓰고 반납하기 때문에 할당과 해제로 인한 외부 단편화가 발생하지 않는다.
또한 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화 또한 생기지 않는다.
하지만 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비량보다 메모리 풀을 만들었지만 쓰지 않았을 때 메모리 양이 커질 경우 사용하지 않아야 한다.
메모리의 할당, 해제가 잦은 경우에 메모리 풀을 쓰면 효과적이다.
미리 할당해놓고 사용하지 않는 순간에도 계속 할당해놓으므로 메모리 누수가 있는 방식이다.
메모리 풀(Memory Pool) 구현 방법
– 큰 메모리 블록(페이지)을 힙으로 부터 할당
– 할당 받은 페이지를 각 객체의 크기의 블록으로 나눔
– 각 객체를 위한 블록을 순차적으로 링크
– 이 때 현 시점에서 할당할 블록을 특정 포인터가 가리키게 함
– 메모리 요청이 생기면 현재 헤더 포인터가 가리키는 블록을 돌려준다.
– 할당이 일어난 후 헤더 포인터는 할당 직전에 가리키던 블록이 가리키던 블록을 가리킨다.
– 사용되던 메모리가 해제되어 메모리 풀로 돌아올 경우 헤더 포인터는 그 블록을 가리키고 방금 전까지 헤더 포인터가 가리키던 블록을 돌아온 블록의 다음 포인터가 가리키게 한다.
출처 : https://jeong-pro.tistory.com/91
메모리 단편화 (Memory Fragmentation)
메모리 단편화가 뭐지?
먼저 컴퓨터를 공부하는 사람이라면 주기억장치에 대해 들어본 적 있죠? 주기억장치는 CPU가 직접 접근하여 처리할 수 있는 고속의 기억장치 (Memory) 로, 현재 수행되는 프로그램과 데이터를 저장하고 있습니다. 종류로는 ROM과 RAM이 있죠.
이 주기억장치에서 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져 사용가능한 메모리가 충분히 존재하지만 할당이 불가능한 상태를 메모리 단편화가 발생했다고 합니다. 그리고 이 메모리 단편화는 내부 단편화와 외부 단편화로 구분할 수 있습니다.
내부 단편화 (Internal Fragmentation) 메모리를 할당할 때, 프로세스가 필요로 하는 크기보다 더 큰 메모리가 할당 되어서 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비되는 상황을 말합니다. 예를 들어, 메모장을 실행시켰는데 OS가 4kb를 할당해줬습니다. 그런데 사실 저는 1kb만큼만 사용하고 있다면, 3kb만큼의 메모리가 낭비되고 있죠? 이렇게 필요 이상으로 프로세스가 메모리를 할당받았으므로 내부 단편화가 3kb 생겼다고 할 수 있습니다.
외부 단편화 (External Fragmentation) 메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복되면서 중간중간 작은 메모리가 존재하게 됩니다. 이때 중간중간 생긴 사용하지 않는 메모리가 발생 하면서 메모리의 총 공간은 충분하지만 실제로는 할당할 수 없는 상황 을 말합니다. 예를 들어, 처음에 어떤 프로그램을 실행하는데 8mb짜리 프로세스가 할당되었습니다. 그리고 나서 다른 프로그램을 실행하는데 16mb짜리 프로세스가 할당되었습니다. 그리고 처음 실행했던 프로세스를 종료시키고 나면 메모리 처음 주소부터 8mb만큼의 공간이 생기겠죠? 이런 식으로 중간중간 비어있는 메모리 공간이 생기면서 메모리 공간은 여유롭지만 막상 막 10mb짜리 프로세스가 할당받을 공간은 없는 그런 상황 에 외부 단편화가 생겼다고 할 수 있습니다.
그럼 어떻게 메모리를 관리할 수 있는지 알아보겠습니다.
1. 페이징 (Paging) – 가상메모리 사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재
먼저 페이지(Page)는 보조기억장치를 이용한 가상메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 말합니다. 그리고 주기억장치를 페이지와 같은 크기로 나눈 것을 프레임(Frame)이라고 하죠.
페이징 기법은 사용하지 않는 프레임을 페이지에 옮기고, 필요한 메모리를 페이지 단위로 프레임에 옮기는 기법입니다. 페이징 기법을 사용하면 연속적이지 않은 공간도 활용할 수 있기 때문에 외부 단편화 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 페이지 단위에 알맞게 꽉채워 쓰지 않을 때도 있을 수 있기 때문에 내부 단편화 문제는 여전히 존재합니다. 페이지 단위를 작게 하면 내부 단편화 문제도 해결할 수 있겠지만, 대신 Page Mapping 과정이 많아지기 때문에 오히려 효율이 떨어질 수 있습니다. 그래서 페이지 단위도 적절하게 나눌 수 있어야 합니다.
2. 세그멘테이션 (Segmentation) – 가상메모리 사용, 내부 단편화 해결, 외부 단편화 존재
페이징 기법에서 가상메모리를 같은 크기의 단위로 분할했다면, 세그멘테이션 기법에서는 가상메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그먼트로 분할하고 메모리를 할당하여 실제 메모리 주소로 변환을 하게 됩니다.
각 세그먼트는 연속적인 공간에 저장되어 있고, 세그먼트들의 크기가 다르기 때문에 미리 분할해 둘 수 없고 메모리에 적재될 때 빈 공간을 찾아 할당하는 기법입니다. 프로세스가 필요한 메모리만큼 할당해주기 때문에 내부 단편화 문제는 일어나지 않지만, 중간에 프로세스가 메모리를 해제하면 생기는 외부 단편화 문제는 여전히 존재합니다.
3. 메모리 풀 (Memory Pool) – 외부 단편화 해결, 내부 단편화 해결
메모리 풀은 동적 할당과 비슷한 개념이지만, 필요한 메모리 공간을 필요한 크기, 개수만큼 사용자가 직접 지정하여 미리 할당 받아놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 기법입니다. 메모리 풀 없이 동적할당과 해제를 반복하면 메모리의 랜덤한(실제로는 알고리즘에 의한) 위치에 할당과 해제가 반복되면서 단편화를 일으킬 수 있지만, 미리 공간을 할당해놓고 가져다 쓰고 반납하기 때문에 할당과 해제로 인한 외부 단편화가 발생하지 않습니다. 그리고 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화 또한 생기지 않습니다.
하지만 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비량보다, 메모리 풀을 만들었지만 쓰지 않았을 때 그 할당된 메모리의 낭비량이 더 커질 경우 사용하지 않아야 합니다. 즉, 메모리 풀은 메모리의 할당과 해제가 잦은 경우 사용하면 효율적이지만 미리 할당해놓고 사용하지 않는 순간에도 계속 할당되어 있기 때문에 메모리 누수가 있을 수 있는 방식입니다.
Reference
메모리 단편화(Memory Fragmentation)가 무엇이고 왜 발생하는가?
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메모리 단편화가 무엇이고 왜 발생하는가?
메모리 단편화
– RAM에서 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져 사용가능한 메모리가 충분히 존재하지만 할당(사용)이 불가능한 상태를 보고 메모리 단편화 가 발생했다고 한다.
메모리 단편화는 내부 단편화와 외부 단편화로 구분 가능하다.
내부 단편화(Internal Fragmentation)
메모리를 할당할 때 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어서 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비 되는 상황
* 예를 들어 메모장을 켰는데 OS가 4kb를 할당해줬다. 그런데 사실상 1kb만큼만 사용하고 있을 때 필요 이상으로 프로세스가 메모리를 할당받았으므로 내부 단편화가 3kb만큼 생긴 것임.
외부 단편화(External Fragmentation)
메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복될 때 작은 메모리가 중간중간 존재하게 된다. 이 때 중간중간에 생긴 사용하지 않는 메모리가 많이 존재해서 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황
* 예를 들어 메모리 처음 주소에 8mb짜리 프로세스가 할당되었고 바로 이어서 16mb짜리 프로세스가 할당되었다고 가정했을 때 8mb짜리 프로세스를 종료시키면 메모리 처음 주소부터 8mb만큼 공간이 생긴다.
이런 식으로 계속해서 빈 메모리가 쌓이는데 예를 들어서 빈 메모리의 공간중에 제일 큰 빈 메모리가 8mb라고 한다면 9mb짜리 프로세스를 할당을 해야할 때 마땅한 공간은 없지만 전체적으로 메모리 여유는 있을 때 외부단편화가 생겼다고 한다.
메모리 파편화 문제 해결 방법
1. 페이징(Paging)기법 – 가상메모리사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재
보조기억장치를 이용한 가상메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 페이지 라고 하고 RAM을 페이지와 같은 크기로 나눈 것을 프레임이라고 할 때,
페이징 기법이란 사용하지 않는 프레임을 페이지에 옮기고, 필요한 메모리를 페이지 단위로 프레임에 옮기는 기법.
페이지와 프레임을 대응시키기 위해 page mapping과정이 필요해서 paging table을 만든다.
페이징 기법을 사용하면 연속적이지 않은 공간도 활용할 수 있기 때문에 외부 단편화 문제를 해결 할 수 있다.
대신 페이지 단위에 알맞게 꽉채워 쓰는게 아니므로 내부 단편화 문제는 여전히 있다.
* 페이지 단위를 작게하면 내부 단편화 문제도 해결할 수 있겠지만 대신 page mapping 과정이 많아지므로 오히려 효율이 떨어질 수 있다.
2. 세그멘테이션(Segmentation)기법 – 가상메모리사용, 내부 단편화 해결, 외부 단편화 존재
페이징기법에서 가상메모리를 같은 크기의 단위로 분할했지만 세그멘테이션기법에서는 가상메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그먼트로 분할해서 메모리를 할당 하여 실제 메모리 주소로 변환을 하게 된다.
각 세그먼트는 연속적인 공간에 저장 되어 있다.
세그먼트들의 크기가 다르기 때문에 미리 분할해 둘 수 없고 메모리에 적재될 때 빈 공간을 찾아 할당하는 기법이다.
마찬가지로 mapping을 위해 세그먼트 테이블이 필요하다.
(각 세그먼트 항목별 세그먼트 시작주소와 세그먼트의 길이 정보를 가지고 있음)
프로세스가 필요한 메모리 만큼 할당해주기 때문에 내부단편화는 일어나지 않으나 여전히 중간에 프로세스가 메모리를 해제하면 생기는 구멍, 즉 외부 단편화 문제는 여전히 존재한다.
3. 메모리 풀(Memory Pool)
필요한 메모리 공간을 필요한 크기, 개수 만큼 사용자가 직접 지정하여 미리 할당받아 놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 기법
메모리 풀 없이 동적할당과 해제를 반복하면 메모리의 랜덤한(실제로는 알고리즘에 의한) 위치에 할당과 해제가 반복되면서 단편화를 일으킬 수 있겠지만 미리 공간을 할당해놓고 가져다 쓰고 반납하기 때문에 할당과 해제로 인한 외부 단편화가 발생하지 않는다.
또한 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화 또한 생기지 않는다.
하지만 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비량보다 메모리 풀을 만들었지만 쓰지 않았을 때 메모리 양이 커질 경우 사용하지 않아야 한다.
메모리의 할당, 해제가 잦은 경우에 메모리 풀을 쓰면 효과적이다.
미리 할당해놓고 사용하지 않는 순간에도 계속 할당해놓으므로 메모리 누수가 있는 방식이다.
구현 방법
– 큰 메모리 블록(페이지)을 힙으로 부터 할당
– 할당 받은 페이지를 각 객체의 크기의 블록으로 나눔
– 각 객체를 위한 블록을 순차적으로 링크
– 이 때 현 시점에서 할당할 블록을 특정 포인터가 가리키게 함
– 메모리 요청이 생기면 현재 헤더 포인터가 가리키는 블록을 돌려준다.
– 할당이 일어난 후 헤더 포인터는 할당 직전에 가리키던 블록이 가리키던 블록을 가리킨다.
– 사용되던 메모리가 해제되어 메모리 풀로 돌아올 경우 헤더 포인터는 그 블록을 가리키고 방금 전까지 헤더 포인터가 가리키던 블록을 돌아온 블록의 다음 포인터가 가리키게 한다.
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메모리 단편화를 해결하는 세 가지 방법
배경 키워드
프로세스는 독립된 메모리 공간을 갖는다.
독립된 메모리이기 때문에 다른 프로세스의 메모리 공간에 일반적으로 접근할 수 없다.
운영체제는 운영체제 메모리 영역과 사용자 메모리 영역의 접근에 제약을 받지 않는다.
Swapping은 메모리의 관리를 위해 사용되는 기법이다.
예를 들어 CPU 할당 시간이 끝난 프로세스의 메모리를 HDD 같은 보조 기억장치로 내보내고 다른 프로세스의 메모리를 불러 들일 수 있다.
Swap-in은 주 기억장치(RAM)로 불러오는 과정
Swap-out은 보조 기억장치로 내보내는 과정
메모리 관리 문제
단편화(Fragmentation)는 메모리 적재 및 제거가 반복되면서 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용하지 못할 만큼의 작은 자유 공간들을 의미한다.
단편화는 ‘외부 단편화’, ‘내부 단편화’ 두 가지 종류로 나뉜다.
외부 단편화는 물리 메모리(RAM)에서 할당할 수 없는 작은 공간들이 생기는 것을 말한다.
아래 표를 RAM(주 기억 장치의 물리 메모리)이라고 해보자.
프로세스A free 프로세스B free 프로세스B free 프로세스C
free를 하나로 모으면 다른 프로세스를 할당할 수 있지만 각각 분산되어 있어 프로세스를 불러올 수 없다. 이 분산된 상태를 외부 단편화라 한다.
이를 해결하기 위해 압축을 하기도 한다.
압축이란 외부 단편화를 해소하기 위해 프로세스 사용 공간을 한쪽으로 몰아 자유공간을 확보하는 것이다. 하지만 작업효율이 좋지 않다.
내부 단편화는 프로세스가 사용하는 메모리 공간 안에 남는 부분을 말한다.
아래 표는 프로세스A의 내부 공간이다.
9,998B 2B
프로세스 내 메모리 공간이 10,000B일 때, 그 안에서 9,998B 사용하면 2B라는 남는 메모리가 존재하고 이 현상을 내부 단편화라 칭한다.
메모리 단편화를 해결하는 세 가지 방법
첫 번째, Paging(페이징)
페이징이란 프로세스를 일정 크기로 잘게 쪼개어 순서와 상관없이 적재하는 방식이다. 배치 순서는 상관없기 때문에 메모리 공간을 연속된 순서로 차지하지 않고 이 덕분에 외부 단편화 문제를 해결할 수 있다. (페이징은 외부 단편화 해소 방법 중 하나인 압축의 비효율을 보완하기 위해 생긴 방법이다.)
물리 메모리(Frame)안에 프로세스의 논리 메모리(Page)들이 고정된 크기의 블록으로 적재된다. 프로세스를 일정 크기인 페이지로 잘라서 메모리에 적재하는 방식이다.
단점은 내부 단편화 문제의 비중이 늘어난다.
예를 들어 페이지 크기가 1,024B이고 <프로세스 A>가 3,172B의 메모리를 요구한다면 3 개의 페이지 프레임(1,024 * 3 = 3,072) 하고도 100B 가 남기 때문에 총 4 개의 페이지 프레임이 필요하다. 결론적으로 4 번째 페이지 프레임에는 924B(1,024 – 100)의 여유 공간이 남는 내부 단편화 문제가 발생한다.
두 번째, Segmentation(세그멘테이션)
페이징과 다르게 고정된 크기가 아닌 서로 다른 크기의 논리적 단위인 세그먼트(Segment)로 분할하는 방식이다.
예를 들면 우리가 돼지를 잡아서 보관을 한다고 생각해보자. 페이징의 방법을 사용하면 돼지를 모두 같은 단위로 잘라서 보관을 하는 것이다. 반면에 세그먼테이션은 부위별로 다른 크기로 잘라서 보관하는 것이다.
page 처럼 크기가 동일하지 않기 때문에 세그먼트 번호와 시작 주소(base), 세그먼트 크기(limit)를 갖는다.
단점은 서로 다른 크기의 세그먼트들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다 보면, 작은 조각의 자유 공간들이 많아지면서 외부 단편화 문제가 발생한다.
세 번째, Memory Pool(메모리 풀)
고정된 크기의 블록을 할당하여 메모리 동적 할당을 가능하게 해 준다. memory pool이라고 불리는 동일한 사이즈의 메모리 블록들을 미리 할당해 놓고 프로세스들이 필요할 때마다 사용하고 반납하는 기법이다. (미리 할당하기 때문에 메모리 누수가 있다)
미리 공간을 할당해놓고 사용한 다음 반납하기 때문이 이로 인한 외부 단편화는 발생하지 않는다. 또한 필요한 크기만큼 할당을 하기 때문에 내부 단편화도 존재하지 않는다.
메모리의 할당, 해제가 빈번할 때 메모리 풀 방식이 효과적이다.
추가 학습
+ 동적 메모리 할당이란?
동적 메모리 할당은 프로그램 실행 중에 사용할 메모리 공간을 할당하는 것을 말한다. 사용이 끝나면 운영체제가 쓸 수 있도록 반납하고 다음에 요구가 오면 재 할당을 받을 수 있다. 이것은 프로그램이 실행하는 순간 메모리의 할당이 이루어지는 정적 메모리 할당과 대조적이다.
동적으로 할당된 메모리 공간은 프로그래머가 명시적으로 해제하거나 쓰레기 수집(garbage collection)이 일어나기 전까지 그대로 유지된다. C/C++와 같이 쓰레기 수집이 없는 언어의 경우, 동적 할당을 하면 사용자가 해제하기 전까지는 메모리 공간이 계속 유지된다.
+ 정적 메모리 할당이란?
정적 메모리 할당은 메모리의 크기가 하드 코딩되어 있기 때문에 프로그램이 실행될 때 이미 해당 메모리의 크기가 결정되는 것을 말한다.
장점은 할당을 해제하지 않음으로 인한 메모리 누수와 같은 문제를 신경 쓰지 않아도 된다. 정적 할당된 메모리는 실행 도중에 해제되지 않고, 프로그램이 종료할 때 알아서 운영 체제가 회수한다.
단점은 메모리의 크기가 하드 코딩되어 있어서 나중에 조절할 수 없다. 스택에 할당된 메모리이므로 동적 할당에 비해 할당받을 수 있는 최대 메모리에 제약을 받는다.
레퍼런스
정적 메모리 할당
동적 메모리 할당
메모리 관리 전략
메모리 관리 – 메모리 단편화, 페이징, 세그멘테이션
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