메모리 단편화와 해결 방법

메모리 단편화(Memory Fragmentation)

메모리 단편화란 메모리의 공간이 작은 조각으로 나뉘어져 충분히 사용 가능한 메모리가 있음에도 시스템이 메모리 할당을 할 수 없는 상태를 의미합니다.

메모리 단편화가 발행하는 원인에 따라 ‘내부 단편화’와 ‘외부 단편화’로 구분할 수 있습니다.

내부 단편화 (Internal Fragmentation)

: 내부 단편화는 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당이 되어서 할당 된 메모리 내부에 사용하지 않는 메모리 공간이 발생한 상황을 뜻합니다.

https://er.yuvayana.org/memory-fragmentation-in-operating-system/

위 그림에서와 같이 50KB를 할당 받은 프로세스가 40KB 밖에 사용하지 않는다면 10KB만큼의 내부 단편화가 발생합니다.

외부 단편화 (External Fragmentation)

: 메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복될 때, 작은 메모리가 중간중간 생겨납니다. 이러한 메모리 공간들이 많아지면서 총 사용 가능한 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황을 외부 단편화라고 합니다.

https://er.yuvayana.org/memory-fragmentation-in-operating-system/

예를 들어, 처음 메모리에 50KB크기의 프로세스가 할당됩니다. 이어서 다른 프로세스들이 메모리 공간에 연속적으로 할당됩니다. 이후, 50KB 프로세스가 종료되면 그 자리에 50KB만큼의 공간이 생긴다. 그곳에 다시 40KB크기의 다른 프로세스가 할당되면 10KB만큼의 빈공간이 생깁니다. 이런 과정이 무수히 반복되면 위 그림과 같이 작은 크기의 빈공간이 메모리 사이사이에 생기는 외부 단편화가 발생합니다.

메모리 단편화를 해결하기 위한 메모리 관리 방법

1. 페이징 기법 (Paging)

(가상 메모리 사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화는 여전히 존재)

https://velog.io/@jieuni/Paging-and-Page-Tables

페이징 기법은 고정 분할 방식을 이용한 가상 메모리 관리 기법으로, 물리 주소 공간을 같은 크기의 메모리 영역으로 나누어 사용합니다. 이때 가상 주소는 프로세스 입장에서 바라본 메모리 공간으로 항상 0번지부터 시작합니다. 가상 주소의 분할된 각 영역을 페이지라고 하며, 물리 메모리의 각 영역은 프레임이라고 합니다. 물리 메모리 단위로 가상 메모리를 할당하기 때문에 페이지 크기와 프레임 크기는 같습니다.

페이지와 프레임을 대응 시키는 과정을 page mapping이라고 하며, 이를 위해 paging table이 있습니다. 페이징 기법을 사용하면 연속적이지 않은 공간도 활용할 수 있기 때문에 외부 단편화 문제를 해결할 수 있습니다. 대신 항상 페이지 단위에 맞춰 메모리를 꽉 채워 쓸 수 없으므로 내부 단편화 문제는 여전히 존재합니다. (페이지 단위를 작게하면 내부 단편화 문제도 해결할 수 있지만 Page mapping 과정이 많아지므로 오히려 효율이 떨어집니다.)

2. 세그멘테이션 기법 (Segmentation)

(가상 메모리 사용, 내부 단편화 해결, 외부단편화 존재)

https://www.javatpoint.com/os-segmentation

페이징 기법에서 가상 메모리를 일정한 크기의 블록(페이지)로 분할했다면, 세그먼테이션 기법에서는 가상 메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그먼트로 분할해서 메모리 할당을 하고, 실제 메모리 주소로 변환합니다.

각 세그먼트는 연속적인 공간에 저장되어 있습니다. 세그먼트들의 크기가 다르기 때문에 미리 분할해 둘 수 없고 메모리에 적재될 때 빈 공간을 찾아 할당합니다.

페이지와 마찬가지로 mapping을 위해 segment table이 필요합니다. table에는 각 세그먼트 항목별로 세그먼트 시작 주소와 세그먼트의 길이 정보를 가지고 있습니다.

프로세스가 요구하는 메모리 크기에 맞게 할당하기 때문에 내부 단편화는 일어나지 않지만,

중간에 프로세스가 메모리를 해제하면 생기는 구멍, 즉, 외부 단편화 문제는 여전히 존재합니다.

 

3. 메모리 풀 (Memory Pool)

필요한 메모리 공간을 적절한 크기, 개수만큼 사용자가 직접 지정하여 미리 할당받아 필요할 때마다 사용하고 반납하는 방법입니다.

메모리 풀 없이 동적 할당과 해제를 반복하면 메모리의 랜덤한 (실제로는 알고리즘에 의한) 위치에 할당과 해제가 반복되면서 단편화를 일으킬 수 있겠지만, 미리 공간을 할당해놓고 가져다 쓰고 반납하기 때문에 할당과 해제로 인한 외부 단편화가 발생하지 않습니다.

또한 필요한 크기만큼 할당 하기 문에 내부 단편화 또한 생기지 않습니다.

하지만 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비량보다 메모리 풀을 만들었지만 쓰지 않았을 때 메모리 낭비가 심하므로 메모리 할당, 해제가 잦은 경우 사용하면 효과적입니다.

 

구현 방법

• 큰 메모리 블록(페이지)을 힙으로 부터 할당
• 할당 받은 페이지를 각 객체의 크기의 블록으로 나눔
• 각 객체를 위한 블록을 순차적으로 링크
• 이 때 현 시점에서 할당할 블록을 특정 포인터가 가리키게 함
• 메모리 요청이 생기면 현재 헤더 포인터가 가리키는 블록을 돌려준다.
• 할당이 일어난 후 헤더 포인터는 할당 직전에 가리키던 블록이 가리키던 블록을 가리킨다.
• 사용되던 메모리가 해제되어 메모리 풀로 돌아올 경우 헤더 포인터는 그 블록을 가리키고 방금 전까지 헤더 포인터가 가리키던 블록을 돌아온 블록의 다음 포인터가 가리키게 한다

 

참고자료:

- https://jeong-pro.tistory.com/91

메모리 단편화(Memory Fragmentation)가 무엇이고 왜 발생하는가?

- 쉽게 배우는 운영체제 (조성호, 한빛미디어)