3.2 메모리

3.2.1 메모리 계층

메모리 계층 구조

캐시

캐시는 데이터 접근 속도를 높이기 위해 사용되는 고속 메모리다.

1. 지역성의 원리

• 시간 지역성: 동일 데이터나 명령이 짧은 시간 내 반복 참조.
• 공간 지역성: 특정 데이터 참조 시 인접 데이터도 참조 가능성 높음.

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2. 캐시 히트와 캐시 미스

• 캐시 히트: 요청 데이터가 캐시에 존재, 메모리 접근 불필요.
• 캐시 미스: 요청 데이터가 캐시에 없어, 메모리에서 데이터 로드.

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3. 캐시 매핑

캐시와 메모리 간 데이터 저장·검색 방식.

매핑 방식	설명	장점	단점
직접 매핑	메모리 주소를 특정 캐시 블록에 매핑	구조 단순, 구현 쉬움	충돌 발생률 높음
연관 매핑	메모리 블록이 캐시 어디든 저장 가능	충돌 거의 없음	탐색 속도 느림, 비용 증가
집합 매핑	직접·연관 매핑 절충, 블록을 집합으로 나눔	충돌 감소, 적정 비용	구조 복잡, 성능은 중간 수준

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웹 브라우저 캐시

웹 성능 향상을 위해 데이터 저장소를 활용.

1. 쿠키

• 클라이언트와 서버 간 데이터 저장·교환.
• 특징: 만료 시간 있음, 요청 시마다 서버로 전송.
• 사용 예: 사용자 로그인 정보, 트래킹.

2. 로컬 스토리지

• 브라우저에 데이터 영구 저장.
• 특징: 만료 시간 없음, 서버와 무관.
• 사용 예: 설정값 저장, 캐시 데이터.

3. 세션 스토리지

• 세션 단위 데이터 저장.
• 특징: 브라우저 탭 닫으면 삭제.
• 사용 예: 임시 폼 데이터, 진행 상태 저장.

분류	데이터 유효 기간	데이터 크기 제한	서버 전송 여부
쿠키	설정된 만료 시간까지	4KB	항상 전송
로컬 스토리지	영구 저장	5~10MB	전송 안 함
세션 스토리지	브라우저 탭 닫힐 때까지	5~10MB	전송 안 함

 

3.2.2 메모리 관리

 

가상 메모리

물리적 메모리보다 큰 주소 공간을 제공하여 메모리를 효율적으로 관리.

1. 스와핑 (Swapping)

• 프로세스 전체를 메모리에서 디스크로 옮기거나 반대로 이동.
• 메모리 부족 시 공간 확보를 위해 사용.
• 단점: 디스크 접근으로 속도 저하.

2. 페이지 폴트 (Page Fault)

• CPU가 요청한 데이터가 메모리에 없을 때 발생.
• 운영체제가 디스크에서 필요한 페이지를 메모리로 가져옴.

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스레싱 (Thrashing)

프로세스가 페이지 폴트 처리에만 CPU 시간을 소모해 작업 효율이 급격히 저하되는 현상.

1. 작업세트 (Working Set)

• 프로세스가 일정 시간 내 사용하는 페이지 집합.
• 작업세트 크기를 관리해 스레싱 방지.

2. PFF (Page Fault Frequency)

• 페이지 폴트 발생 빈도를 기준으로 메모리 할당 조정.
• 폴트 발생 빈도가 높으면 페이지 추가, 낮으면 제거.

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메모리 할당

1. 연속 할당

• 고정 분할 방식
  • 메모리를 고정 크기로 나눔.
  • 장점: 관리 쉬움.
  • 단점: 내부 단편화 발생.
• 가변 분할 방식
  • 필요에 따라 메모리 크기를 동적으로 할당.
  • 장점: 메모리 활용도 높음.
  • 단점: 외부 단편화 발생.

2. 내부 단편화

• 할당된 메모리에서 사용되지 않는 공간.
• 고정 분할 방식에서 자주 발생.

3. 외부 단편화

• 사용 가능한 메모리가 조각나서 큰 프로세스가 메모리에 할당되지 못하는 현상.

4. 불연속 할당

• 페이징
  • 메모리를 고정 크기인 페이지로 나눔.
  • 외부 단편화 없음.
• 세그멘테이션
  • 메모리를 가변 크기 세그먼트로 나눔.
  • 사용자 관점에서 프로그램 구조 반영.
• 페이지드 세그멘테이션
  • 세그먼트를 다시 페이지로 나누어 결합한 방식.

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페이지 교체 알고리즘

 

알고리즘	설명	장점	단점
오프라인 알고리즘	미래의 접근 패턴을 기반으로 최적의 페이지 교체.	가장 적은 폴트 발생.	실제 구현 불가능.
FIFO	가장 오래된 페이지를 교체.	구현 간단.	오래된 페이지 문제.
LRU	가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지 교체.	실제 사용 패턴 반영.	구현 복잡, 오버헤드.
NUR	최근 참조·수정 여부로 교체.	효율적, 간단.	성능은 LRU보다 낮음.
LFU	참조 횟수가 가장 적은 페이지 교체.	참조 패턴 반영.	오래된 데이터 문제.