1. 메모리의 계층 구조 및 주소 체계 #
메모리 계층 구조 #
- CPU -> register -> cache -> main memory(RAM) -> SSD/HDD
- OS 입장에서는 **main memory(RAM)**을 관리하는 게 핵심
주소 체계 #
| 구분 | 설명 |
|---|---|
| 논리 주소(Logical Address) | CPU가 생성한 주소 (프로세스 입장에서의 주소) |
| 물리 주소(Physical Address) | 실제 메모리 하드웨어 상의 주소 |
| 가상 주소(Virtual Address) | 논리 주소와 같으며, MMU가 물리 주소로 변환 |
=> MMU (Memory Management Unit): 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 하드웨어. 페이징 기반 시스템에서 핵심 역할.
2. 메모리 단편화(Fragmentation) #
내부 단편화 (Internal Fragmentation) #
- 프로세스가 할당받은 메모리보다 적은 양만 사용하는 경우
- ex) 12KB 필요한데 16KB 단위로만 할당 → 4KB 낭비
외부 단편화 (External Fragmentation) #
- 총 메모리는 충분하지만 연속된 공간이 부족해서 할당 불가
- ex) 5KB, 3KB, 4KB, … 식으로 쪼개져 있어 10KB 요청 실패
해결 전략 #
| 문제 | 해결 방식 |
|---|---|
| 내부 단편화 | 가변 크기 할당 (slab, buddy, paging 등) |
| 외부 단편화 | 페이징, 세그멘테이션, 압축(compaction) 등 |
3. 메모리 할당 기법 #
연속 할당 (Contiguous Allocation) #
- 프로세스는 하나의 연속된 메모리 블록을 할당받음
- 단순하지만 외부 단편화 발생 가능
방식 설명 단순 분할 (Fixed) 동일 크기의 파티션 가변 분할 (Dynamic) 프로세스 크기에 따라 동적 할당
할당 전략 (First Fit, Best Fit, Worst Fit)
- First Fit: 첫 번째로 맞는 공간
- Best Fit: 가장 크기가 근접한 공간 (외부 단편화 ↑)
- Worst Fit: 가장 큰 공간 (파편 방지 목적)
페이징 (Paging) #
- 물리 메모리를 고정된 크기(Frame)로 나누고, 프로세스도 동일한 크기(Page)로 나눔
- 페이지 단위로 분산 저장 가능 -> 외부 단편화 제거
요소 설명 Page 논리 주소 공간의 단위 Frame 물리 주소 공간의 단위 Page Table Page 번호 → Frame 번호 매핑 정보 저장 MMU 주소 변환 시 Page Table 참조
=> 단점: Page Table 크기 증가, TLB 미스 발생 가능
세그멘테이션 (Segmentation) #
- 프로세스를 의미 있는 논리 단위(코드, 데이터, 스택 등)로 나눔
- 각 세그먼트는 크기/시작 주소가 다름
- 주소 = (세그먼트 번호, 오프셋) 형태
장점 : 논리적 구조 반영
단점 : 외부 단편화 발생 가능
4. 논리 주소 -> 물리 주소 변환 과정 #
| 방식 | 변환 방식 | 특징 |
|---|---|---|
| 연속 할당 | Base + offset | 구조 단순 |
| 페이징 | Page Number + Offset → Frame | 고정 크기 블록, 내부 단편화 가능 |
| 세그멘테이션 | Segment + Offset → Physical | 논리 구조 반영, 외부 단편화 발생 |
5. 실무 예시 #
| 사례 | 설명 |
|---|---|
| Linux | 페이징 기반, 가상 메모리 + TLB 사용 |
| Embedded 시스템 | 연속 할당 또는 세그멘테이션 구조 |
| Heap Allocator | 내부 단편화 방지 위해 Slab, Buddy Allocator 사용 |
| Docker/VM | 가상 주소 공간을 격리하기 위해 페이지 테이블 관리 필수 |
6. 자주 묻는 면접 질문 #
Q1. 페이징과 세그멘테이션의 차이는?
A.
| 항목 | 페이징 | 세그멘테이션 |
|---|---|---|
| 단위 | 고정 크기 Page | 가변 크기 Segment |
| 단편화 | 내부 단편화 | 외부 단편화 |
| 구조 | 단순, 추상도 낮음 | 논리 구조 표현 가능 |
| 주소 형식 | Page No + Offset | Segment No + Offset |
Q2. 외부 단편화와 내부 단편화는 무엇이고, 각각 어떻게 해결하나요?
A.
- 내부 단편화: 고정 크기 할당 시, 일부 미사용 공간 → 페이징, slab allocator
- 외부 단편화: 가변 할당 시, 작은 조각들 → 페이징, 압축, 세그멘테이션
Q3. Page Table이 너무 커지면 어떻게 해결하나요?
A.
- 다단계 페이지 테이블
- TLB (Translation Lookaside Buffer): 캐시 역할
- 페이징+세그멘테이션 혼합 구조