메모리 단편화

메모리 단편화(Memory Fragmentation)가 무엇이고 왜 발생하는가? (tistory.com)

메모리 단편화(Memory Fragmentation)가 무엇이고 왜 발생하는가?

컴퓨터에서 프로그램을 실행하거나 작업을 할 때 컴퓨터는 메모리에 해당 프로그램을 올리고 실행을 하게 됨
이때 주기억장치 상에서 빈번하게 기억 장소가 할당되고 반납됨에 따라 메모리 공간이 작은 조각 공간으로 나뉘게 될 경우, 사용 가능한 메모리가 충분함에도 불구하고 메모리 할당이 불가능한 상태가 발생하게 되는데, 이것이 메모리 단편화

 

이 현상은 기억장치의 사용 가능한 공간을 줄이거나, 읽기와 쓰기의 수행속도를 늦추는 문제점을 야기한다.

 

* 내부 단편화(Internal Fragmentation)

메모리를 할당할 때 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어서 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비 되는 상황

(ex) 메모장을 켰는데 OS가 4kb를 할당해줬다. 그런데 사실상 1kb만큼만 사용하고 있을 때 필요 이상으로 프로세스가 메모리를 할당받았으므로 내부 단편화가 3kb만큼 생긴 것임.)

 

* 외부 단편화(External Fragmentation)

메모리가 할당되고 해제되는 작업이 반복될 때 작은 메모리가 중간중간 존재하게 된다. 이 때 중간중간에 생긴 사용하지 않는 메모리가 많이 존재해서 총 메모리 공간은 충분하지만 실제로 할당할 수 없는 상황

(ex) 예를 들어, 처음 메모리에 50KB크기의 프로세스가 할당 ->이어서 다른 프로세스들이 메모리 공간에 연속적으로 할당됨 -> 이후, 50KB 프로세스가 종료되면 그 자리에 50KB만큼의 공간이 생김 -> 그곳에 다시 40KB크기의 다른 프로세스가 할당되면 10KB만큼의 빈공간이 생김

이런 과정이 무수히 반복되면 위 그림과 같이 작은 크기의 빈공간이 메모리 사이사이에 생기는 외부 단편화가 발생)

 

<해결방법>

1. 페이징(Paging)기법 - 가상메모리사용, 외부 단편화 해결, 내부 단편화 존재

보조기억장치를 이용한 가상메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것을 페이지라고 하고

RAM을 페이지와 같은 크기로 나눈 것을 프레임이라고 할 때,

페이징 기법이란 사용하지 않는 프레임을 페이지에 옮기고, 필요한 메모리를 페이지 단위로 프레임에 옮기는 기법.

페이지와 프레임을 대응시키기 위해 page mapping과정이 필요해서 paging table을 만든다.

페이징 기법을 사용하면 연속적이지 않은 공간도 활용할 수 있기 때문에 외부 단편화 문제를 해결할 수 있다.

대신 페이지 단위에 알맞게 꽉채워 쓰는게 아니므로 내부 단편화 문제는 여전히 있다.

* 페이지 단위를 작게하면 내부 단편화 문제도 해결할 수 있겠지만 대신 page mapping 과정이 많아지므로 오히려 효율이 떨어질 수 있다. 

 

2. 세그멘테이션(Segmentation)기법 - 가상메모리사용, 내부 단편화 해결, 외부 단편화 존재

페이징기법에서 가상메모리를 같은 크기의 단위로 분할했지만 세그멘테이션기법에서는 가상메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그먼트로 분할해서 메모리를 할당하여 실제 메모리 주소로 변환을 하게 된다.

각 세그먼트는 연속적인 공간에 저장되어 있다.

세그먼트들의 크기가 다르기 때문에 미리 분할해 둘 수 없고 메모리에 적재될 때 빈 공간을 찾아 할당하는 기법이다.

마찬가지로 mapping을 위해 세그먼트 테이블이 필요하다.

프로세스가 필요한 메모리 만큼 할당해주기 때문에 내부단편화는 일어나지 않으나 여전히 중간에 프로세스가 메모리를 해제하면 생기는 구멍, 즉 외부 단편화 문제는 여전히 존재한다.

 

3. 메모리 풀(Memory Pool)

필요한 메모리 공간을 필요한 크기, 개수 만큼 사용자가 직접 지정하여 미리 할당받아 놓고 필요할 때마다 사용하고 반납하는 기법

메모리 풀 없이 동적할당과 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 않는다.

또한 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화 또한 생기지 않는다.

하지만 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비량보다 메모리 풀을 만들었지만 쓰지 않았을 때 메모리 양이 커질 경우 사용하지 않아야 한다.

메모리의 할당, 해제가 잦은 경우에 메모리 풀을 쓰면 효과적이다.

미리 할당해놓고 사용하지 않는 순간에도 계속 할당해놓으므로 메모리 누수가 있는 방식이다.

 

출처: https://jeong-pro.tistory.com/91 [기본기를 쌓는 정아마추어 코딩블로그:티스토리]