[CS] 물리 메모리 관리

Posted Dec 15, 2023

By 엉덩희 8 min read

📌 들어가며

이번 글에서는 운영체제의 물리 메모리 관리를 정리한다. 메모리 관리자의 역할(가져오기·배치·재배치), 주소 체계(절대/상대), 단일·다중 프로그래밍 환경의 메모리 할당(오버레이·스왑·분할 방식·버디 시스템)을 다룬다.

메모리 관리가 복잡한 이유 — 시분할 시스템에서는 OS를 포함한 모든 응용 프로그램이 메모리에 올라오기 때문이다. CPU는 메모리 접근에 MAR(메모리 주소 레지스터)를 쓴다. 재료(프로그램)가 전부 도마 위에 올라와 있는 상태라 관리가 까다롭다.

1. 메모리 관리자의 역할

관리의 이중성 — 프로세스는 메모리를 독차지하고 싶고, 관리자는 효율적으로 관리하고 싶다. 이 상충이 이중성이다.

역할	설명
가져오기(fetch)	프로세스·데이터를 메모리로(크면 일부만)
배치(placement)	메모리 어디에 올릴지(paging/segmentation)
재배치(replacement)	꽉 차면 오래된 프로세스 내보냄

컴파일러 vs 인터프리터: 컴파일러(자바)는 소스 전체를 목적코드로 변환(최적화·복잡), 인터프리터(자바스크립트)는 한 행씩 번역·실행(편리·느림).

2. 메모리 주소 — 절대 vs 상대

구분	최대 메모리
32bit	2³² ≈ 4GB
64bit	2⁶⁴ ≈ 약 1,600만 TB

물리 주소: 하드웨어 입장의 주소 / 논리 주소: 사용자 입장의 주소.

💡 절대주소 vs 상대주소 — 메모리는 OS 영역과 사용자 영역이 엄격히 분리된다. 사용자가 매번 OS 영역(예: 0~360)을 피하는 건 번거롭다. 그래서 사용자는 항상 0번지부터 시작하는 상대주소를 쓰고, 실제 접근 시 관리자가 재배치 레지스터로 상대주소 + OS범위를 더해 절대주소로 변환한다.

3. 단일 프로그래밍 — 오버레이 & 스왑

작은 메모리(옛날 640KB)에서 큰 프로그램을 돌리려면 프로그램을 나눠야 한다.

기법	설명
메모리 오버레이	프로그램을 모듈로 나눠 필요한 모듈만 메모리에 올림
스왑(swap)	안 쓰는 모듈을 저장장치의 스왑 영역에 임시 보관

💡 스왑 영역으로 내보내는 것을 swap out, 다시 메모리로 가져오는 것을 swap in이라 한다. 덕분에 사용자가 인식하는 메모리 크기는 실제 메모리 + 스왑 크기가 된다(가상 메모리의 기초).

4. 다중 프로그래밍 — 분할 방식

flowchart TD
    Split["메모리 분할"]
    Split --> Var["가변 분할(segmentation)<br/>프로세스 크기대로"]
    Split --> Fix["고정 분할(paging)<br/>같은 크기로"]
    Var --> VE["외부 단편화"]
    Fix --> FE["내부 단편화"]

방식	특징	단점
가변 분할(segmentation)	프로세스 크기대로 분할(통째로 올림)	외부 단편화(사이 빈 공간) → 조각모음 필요
고정 분할(paging)	같은 크기로 분할(관리 수월)	내부 단편화(남는 공간 낭비)

💡 외부 단편화 vs 내부 단편화 — 가변 분할은 프로세스가 드나들며 사이사이 못 쓰는 틈이 생기고(외부), 고정 분할은 칸보다 작은 프로세스가 들어가 칸 안에 남는 공간이 생긴다(내부). 조각모음은 흩어진 빈 공간을 합치는 작업이다.

메모리 배치 방식:

방식	설명
최초 배치	처음 보이는 공간에 배치(단편화 무시)
최적 배치	가장 작은 적당한 공간
최악 배치	가장 큰 공간

5. 버디 시스템

가변 분할의 외부 단편화를 완화하는 방법이다(가변+고정 절충).

① 프로세스 크기에 맞게 메모리를 1/2씩 계속 자름
② 각 구역엔 프로세스 1개만
③ 종료 시 주변 빈 조각과 합침

💡 버디 시스템은 통합이 수월하다. 계속 1/2로 나누므로 작은 프로세스들이 뒤쪽에 몰려 있어, 중간에 빈자리가 나도 여러 프로세스를 옮길 필요 없이 인접한 짝(buddy)끼리만 합치면 된다.

📝 정리

물리 메모리 관리
├─ 관리자   가져오기·배치·재배치
├─ 주소     상대주소 → 재배치 레지스터로 절대주소 변환
├─ 단일     오버레이·스왑(swap in/out)
├─ 다중     가변(외부 단편화) / 고정(내부 단편화)
└─ 버디     1/2 분할 + 짝 통합(외부 단편화 완화)

개념	한 줄 정의
상대주소	0번지 기준(변환 필요)
외부/내부 단편화	사이 빈 공간 / 칸 안 낭비
버디 시스템	1/2 분할 절충 방식

물리 메모리 관리의 핵심은 한정된 메모리를 여러 프로세스가 효율적으로 나눠 쓰는 것이다. 분할 방식마다 생기는 단편화를 이해하고, 스왑·버디 시스템 같은 기법으로 이를 완화하는 흐름을 잡는 것이 중요하다.

Computer-Science

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