이 글의 사진과 내용은 공룡책 과 컴퓨터학부 수업인 운영체제 강의자료를 기반으로 작성했습니다.
Motivation
- 주소 변환하면서 몇가지 비효율적인 문제가 발생한다.
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기존 가상 주소 공간에서는 Heap과 Stack 사이의 사용하지 않는 공간도 할당되므로 비효율성이 발생한다.
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[1] 사용하지 않는 크기가 발생하므로 메모리 공간이 낭비된다.
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[2] 위의 그림과 같이 (16KB 이상의) 메모리가 큰 주소 공간에는 프로세스를 지원할 수 없다.
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[3] Code 공간에 여러 코드가 들어가서 중복이 발생할 수 있다.
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이러한 문제점을 해결하기 위해
Segmentation이라는 아이디어가 나오게 되었다.
Segmentation
세그먼테이션은 가상 주소 공간을 세그먼트 단위로 실제 메모리 주소 공간에 독립적으로 각각 매핑하는 방식이다.
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이로 인해 heap과 stack 사이의 사용하지 않는 비효율성인 문제를 해결하게 되었다.
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[1] 더이상 메모리 공간이 낭비되지 않는다.
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[2] 이전보다 훨씬 더 많은 주소 공간을 지원할 수 있다.
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[3] 세그먼트는 주소 공간 간에 Code를 공유하면서 메모리를 절약할 수 있다.
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세그먼트(Segment)는 메모리에서 일정 부분을 의미하며 일반적인 주소 공간은 3개의 세그먼트(Code, Stack, Heap)으로 구성된다.
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OS는 3개의 세그먼트를 메모리에 배치하여 heap과 stack 사이의 공간을 낭비하지 않도록 하는 것이다.
Implementation
Basic
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그럼 이제 세그먼테이션에서 Virtual memory 주소를 받고 Physical memory 주소를 찾는 방법(주소 변환)에 대해 알아보자.
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가상주소는
segment id + offset으로 구할 수 있다.- segment id 는 상위 2개 비트로 구분할 수 있고, offset은 하위 12개 비트로 계산할 수 있다.
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위의 그림을 예시로 들어보자.
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[1] Segment ID가 01인 Heap 영역에 가서 Base 값을 찾는다. (Base = 26K)
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[2] Offset 을 계산한다. (16진수 Hex -> 10진수 Decimal)
- 0x068 -> (Decimal) (16^1 * 6) + (16^0 * 8) = 104
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[2-2] segmentation fault 발생하는지 확인한다. (segmentation fault : 프로그램이 허용되지 않은 메모리 영역에 접근을 시도하거나(free 공간), 허용되지 않은 방법으로 메모리 영역에 접근을 시도할 경우 발생한다)
- Offset 값인 104가 Bound인 값인 2K (104 < 2000) 보다 작기 때문에 segmentation fault 발생하지 않는다.
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[3] Physical memory 주소를 찾는다. (base + offset)
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Segment ID가 01인 Heap 영역에서 Base 값과 offset 값을 더하면 된다.
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따라서 실제 메모리 주소는 26KB + 104가 된다.
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이러한 계산을 코드로 나타내면 다음과 같이 표현할 수 있다.
// get top 2 bits of 14-bit VA 2 (상위 2 비트를 가지고 온다)
Segment = (VirtualAddress & SEG_MASK) >> SEG_SHIFT 3
// now get offset (하위 12 비트로 offset을 구한다)
Offset = VirtualAddress & OFFSET_MASK
// Offset 이 limit 을 넘는지 확인한다.
if (Offset >= Bounds[Segment])
RaiseException(PROTECTION_FAULT)
else
PhysAddr = Base[Segment] + Offset
Register = AccessMemory(PhysAddr)
Stack 인 경우
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Stack은 Code, Heap 부분과 다르게 거꾸로 확장되기 때문에 주소 변환을 다르게 해야한다.- Code, Heap은 Sign이 Positive인 반면에 Stack은 Sign이 Negative이다.
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Stack 세그먼트의 base 레지스터는 가장 높은 주소에서 시작한다.
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[1] Segement ID가 10인 Stack 영역에 가서 Base 값을 찾는다. (Base = 36K)
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[2] Offset 을 계산한다. (16진수 Hex -> 10진수 Decimal)
- 0xA00 -> (Decimal) (16^2 * 10) + (16^1 * 0) + (16^0 * 0) = 2560
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[2-2] segmentation fault 발생하는지 확인한다.
- Offset 값인 104가 Bound인 값인 3K (2560 < 3000) 보다 작기 때문에 segmentation fault 발생하지 않는다.
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[3] Physical memory 주소를 찾는다. (base - offset)
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Stack 에서는 base인 36KB에 offset인 2560을 더하는 것이 아닌 빼주면 된다.
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따라서 실제 메모리 주소는 36KB - 2560이 된다.
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Code Sharing
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세그먼트는 추가적인 하드웨어 지원을 통해 주소 공간 사이에서 공유될 수 있다.
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그래서 다중 프로세스는 Code 세그먼트를 공유할 수 있는데, 읽고 실행은 가능하지만 값을 변경할 수는 없다.
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즉, 코드가 지정된 영역은 접근 가능하지만,(읽고 실행 가능) 값을 바꿀 순 없다.
Problem of Segmentation(OS Support)
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Context-Switch(문맥교환)문제에 대해서는 OS가 어떻게 처리하는가?
- 세그먼트 레지스터(base & bound 레지스터)의 값들을 저장하고 복원해주는 방식으로 처리한다.
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세그먼트의 수가 증가하거나 감소할 때 OS와 어떻게 상호작용하는가?
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상황) heap 공간이 부족해서 malloc()에 의해 heap 공간을 더 늘려야 하는 경우
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해결방안) 공간을 늘리기 위해 sbrk() system call을 사용한다. (sbrk()는 힙을 늘리거나 줄이는 함수이다)
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Physical memory에 여유공간을 어떻게 관리할건가?
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프로세스마다 크기가 모두 다르기 때문에 각 세그먼트의 크기도 모두 다르다. 그로 인해
외부 단편화(external fragmentaion) 문제가 발생한다. -
외부 단편화란 외부가 잘게 쪼개진 형태를 의미한다.
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상황) 왼쪽 메모리에서 20KB 크기를 갖는 세그먼트를 할당하려고 한다.
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하지만, 전체로 보면 24KB 여유 공간(free)이 있지만 16KB, 4KB, 4KB로 인접하지 않은 세그먼트로 20KB 크기를 갖는 공간을 할당받을 수 없다.
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이를 해결하기 위해 OS는 가운데 그림처럼
Compaction이라는 방법으로 실제 메모리에 있는 기존의 세그먼트를 재배치시킨다. 하지만 Compaction 방법은 비용이 발생하여 성능이 떨어지는 문제점이 있다. -
그래서 결국 맨 오른쪽 그림처럼
Paging(페이징) 이라는 기법을 통해 고정적인 크기(fixed-size)의 세그먼트로 외부 단편화를 제거하여 여유 공간을 관리할 수 있다. -
하지만 페이징 기법 역시
내부 단편화(internal fragmentation) 문제가 남아 있다. -
내부 단편화의 문제점은 다음과 같다. 15KB 요청이 오면 8KB * 2번으로 16KB를 주게 되면 1KB의 안쓰는 공간이 생긴다. 이때 이 1KB가 내부 단편화의 문제점이다.
Review
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세그먼테이션은 stack과 heap 사이의 사용하지 않는 공간을 해결하기 위해 각각의 세그먼트(Stack, Heap, Code)으로 분리해서 메모리 공간의 효율성을 늘렸다.
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하지만, 외부 단편화라는 문제점이 생겨서, 이를 해결하기 위해 페이징 기법을 사용하게 되었다.
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페이징 기법은 다른 페이지에서 다룰 예정이다.
예상 질문
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세그먼테이션은 무엇이고, 세그먼테이션으로 인해 어떤 장점이 있는지 설명하시오.
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세그먼테이션으로 주소변환 하는 방법에 대해 설명하시오.
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세그먼테이션의 문제점과 해결방안은 무엇인지 설명하시오.