메모리 관리는 주기억장치를 여러 프로세스에게 나눠 주는 일이다. 될 수 있는 대로 많은 프로세스를 넣으면서도 성능을 지켜야 한다. 그러려면 다섯 가지를 해내야 한다. 프로그램이 어디에 실려도 돌게 하기(재배치), 남의 메모리를 못 건드리게 하기(보호), 필요하면 함께 쓰게 하기(공유), 모듈 단위로 다루기(논리적 구성), 메모리와 디스크 사이를 오가게 하기(물리적 구성)다. 재배치와 보호는 실행 중에 주소를 바꾸고 검사해야 해서 하드웨어의 도움이 필요하다.
예시로 보기
프로그램을 컴파일하면 코드 안에 jmp 500처럼 주소가 들어간다. 그런데 프로그래머는 이 프로그램이 메모리의 어디에 실릴지 모른다. 오늘은 10,000번지부터 실릴 수도 있고, 실행 중에 디스크로 쫓겨났다가 20,000번지에 다시 실릴 수도 있다. 그때마다 코드 속 500을 실제 주소로 바꿔야 한다.
하드웨어가 실행 중에 바꿔 준다. 프로세스가 실릴 때 기준 레지스터에 시작 주소를, 경계 레지스터에 끝 주소를 넣어 둔다. 프로세스가 상대 주소 500을 내면 다음 순서로 처리한다.
- 기준 레지스터 값을 더한다: 10,000 + 500 = 10,500.
- 결과를 경계 레지스터와 비교한다.
- 경계를 넘으면 운영체제에 인터럽트를 보낸다. 넘지 않으면 10,500번지에 접근한다.
flowchart LR
R[상대 주소 500] --> ADD((+))
B[기준 레지스터 10000] --> ADD
ADD --> CMP{경계 레지스터보다 큰가?}
CMP -- 아니오 --> M[주기억장치 10500번지]
CMP -- 예 --> INT[운영체제로 인터럽트]
정확히 말하면
다섯 가지 요구 사항
| 요구 | 내용 |
|---|---|
| 재배치 | 프로그래머는 프로그램이 메모리 어디에 실릴지 모른다. 실행 중에 디스크로 나갔다가 다른 곳에 실릴 수도 있다. 그래서 코드 속 메모리 참조를 실제 물리 주소로 바꿔야 한다 |
| 보호 | 허락 없이 다른 프로세스의 메모리를 참조하면 안 된다. 주소는 실행 중에 계산되기도 하므로 프로그램을 미리 검사할 수 없다. 그래서 실행 중에 하드웨어가 검사한다 |
| 공유 | 여러 프로세스가 같은 메모리 영역을 쓰게 한다. 예: 다중 사용자 시스템에서 사용자마다 유닉스 셸 복사본을 따로 만들지 않고 하나를 함께 쓴다 |
| 논리적 구성 | 프로그램은 모듈로 짜인다. 모듈마다 보호 정도(읽기 전용, 실행 전용)를 다르게 주고, 모듈 단위로 공유한다 |
| 물리적 구성 | 프로그램과 데이터에 쓸 메모리가 모자랄 수 있다. 2차 기억장치는 싸고 크고 영구적이므로 프로그램 일부를 거기에 두었다가 필요할 때 가져온다 |
재배치와 보호는 서로 기대어 있다. 실행 중에 주소를 바꾸는 하드웨어가 있으면 같은 자리에서 범위 검사도 할 수 있다1.
세 가지 주소
메모리 위치를 가리키는 주소는 세 가지로 나뉜다.
| 주소 | 뜻 |
|---|---|
| 논리 주소 | 데이터가 지금 메모리 어디에 있는지와 상관없는 참조. 실제로 쓰려면 물리 주소로 바꿔야 한다 |
| 상대 주소 | 어떤 기준점(보통 프로그램의 시작)에서 얼마나 떨어졌는지로 나타낸 주소. 논리 주소의 한 종류다 |
| 물리 주소 | 주기억장치 안의 실제 위치(절대 주소) |
프로세스가 실릴 때, 그리고 실행 중에 스와핑이나 압축(compaction)으로 옮겨질 때 실제 위치가 바뀐다. 그래서 변환은 실행 시간에 해야 한다.
오버레이
메모리가 프로그램 전체를 담기에 모자라던 시절의 방법이다. 프로그램을 주 부분과 여러 오버레이 조각으로 나누고, 조각들이 같은 메모리 영역을 번갈아 쓴다. 나누고 싣는 일을 프로그래머가 직접 해야 했다. 이 부담을 운영체제가 대신 지는 것이 가상 메모리다.
활용
- 기준·경계 레지스터는 프로세스 문서의 그림에 나온 “기준(base)과 한계(limit)” 레지스터와 같은 장치다 → 프로세스
- 프로세스를 바꿀 때 운영체제가 이 레지스터 값을 새 프로세스 것으로 바꾼다 → 프로세스 생성과 전환의 6단계
- 공유 라이브러리(리눅스의
.so, 윈도우의.dll)는 여러 프로세스가 같은 코드를 메모리에 한 벌만 두고 함께 쓰는 공유의 예다1.
연결
확인 문제
C1 메모리 관리의 다섯 가지 요구 사항을 쓰라.
답: 재배치, 보호, 공유, 논리적 구성, 물리적 구성.
C2 보호를 컴파일할 때 프로그램을 검사해서 해결할 수 없고 실행 중에 하드웨어가 해야 하는 이유는?
답: 주소가 실행 중에 계산되기 때문이다. 예를 들어 배열 인덱스나 포인터 연산의 결과는 입력에 따라 달라진다. 또 재배치 때문에 프로그램이 실제로 어디에 실릴지도 실행 전에는 모른다.
C3 기준 레지스터 = 30,000, 경계 레지스터 = 34,000이다. 프로세스가 상대 주소 2,500과 4,200을 낸다. 각각 어떻게 되는가?
답: 2,500 → 32,500. 경계 34,000 이하이므로 접근한다. 4,200 → 34,200. 경계를 넘으므로 운영체제에 인터럽트가 가고 접근이 막힌다.