1. Memory
(1) 물리적 메모리
RAM, ROM(BIOS)
RAM ; DRAM 주기적 refresh, SRAM(Cash 메모리용)
전원 공급, 메모리 영역의 구분, 입출력, CPU가 원하는 칩에 연결할 수 있도록 신호를 연결 또는 차단 등의 핀들..
1개의 핀으로 0 또는 1의 값 전달.
1KB 의 경우 10 개의 핀과 1024 개의 서로 구분할 수 있는 메모리 영역이 필요하게 됨.
1MB 의 경우 1024 * 1024 이고 2의 20 제곱. 따라서 20개의 핀이 필요.
(2) 논리적 메모리
일단 main 함수의 main.cpp 소스파일이 main.exe 바이너리 파일로 변환되고, 실행을 시키면 운영체제는 EXE 파일을 '가상 메모리' 영역에 적재.
이 영역에는 작성이 완료된 함수 등과 같은 코드 영역, 크기 혹은 값이 정해진 전역, 정적변수 영역 등으로 구분.
이렇게 가상 메모리에 로드된 각종 이진 코드는 실제 물리적 메모리와 연결 되어 사용.
보통 하나의 프로그램이 실행되면서 할당되는 전역변수 int nMin 4바이트, 정적변수 4바이트 들 함수 코드 영역이 메모리에 할당.
프로그램이 실행 도중에 생성/소멸 되는 지역 변수는 스택(Stack)이라는 영역을 사용.
동적 할당은 힙 메모리 영역.
프로그램이 생성할 때부터 종료할 때까지 메모리에 상주하는 부분
- main 함수와 Sum 함수 코드(Function)
- 전역 변수(Global Variable)
- 정적 변수(Static Variable)
프로그램이 실행 도중에 생성 및 소멸되는 부분
- 지역 변수(Local Variable)
- 매개 변수(Parameter)
- Heap 메모리에 생성된 데이터
최근의 운영체제는 물리적 메모리의 직접 사용을 배제하고, 가상의 논리적인 메모리를 사용한다.
운영체제 메모리 관리자가 논리적인 메모리를 바탕으로 실제의 물리적인 메모리와 연결을 관리하므로 응용 프로그램은 논리적인 메모리만을 고려하면 된다.
Windows 와 같은 고급 운영체제에서 C/C++ 언어의 포인터를 사용할 때 나타나는 주소는 실제 시스템에 설치된 물리적 메모리의 번지가 아닌, 운영체제가 만든 가상의 논리적 메모리 영역에서 표현되는 주소이다.
2. Windows 메모리 관리
(1) 64 비트 환경에서의 메모리
16TB 가상 메모리 영역, 512TB 페이징 파일, 1TB 시스템 캐시를 가질 수 있어, 고성능 대용량 컴퓨터 시스템에 사용.
(2) 가상 메모리와 맵핑(Virtual Memory and Mapping)
수학적인 용어로 '사상' 이라는 단어로도 사용.
WIndows 운영체제는 가상 메모리상에 영역을 할당하고, 할당된 메모리의 시작 주소를 넘겨준다(리턴).
가상 메모리와 실질적인 물리적 메모리의 특정 부분과 가상 메모리 번지를 대응.
각각의 가상 메모리 주소를 주기억장치의 실제 주소로 전환하는 것(또는 그 반대의 것)을 의미.
현재 사용중인 시스템의 램이 256MB이고, 현재 음악을 들으며, 웹서핑을 하고, 메모장, 워드 프로세서, Visual Studio .NET, 그림판 등 10개 이상의 프로그램을 띄워놓고 있다. 이 많은 프로그램이 가지는 4GB 크기의 가상 메모리 주소 모두를 물리적 메모리에 1대1로 모두 맵핑할 수는 없음.
따라서 필요한 시점에서만 물리적 메모리를 사용해야 하는 기법이 필요함 !
WIndows 또한 이와 같이 관리하므로 실제 물리적 메모리에 맵핑되어 있는 가상 메모리 영역은 4GB 보다 훨씬 작다.
(3) 가상 메모리 상태(Virtual Memroy Status)
A. 램에 맵핑된 상태
B. 하드 디스크에 맵핑된 상태
C. 사용이 예약되어 읽거나 쓸 수 없는 상태
D. 초기 상태
위의 C. D. 영역에서 읽거나 쓰려고 할 경우 Windows 운영체제는 예외(Access Violation)를 발생.
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등 급 |
내 용 |
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Free |
최초 가상 메모리가 생성될 때, 모든 가상 메모리 영역은 Free 상태에 놓이게 되는데, 읽거나 쓸 수 없는 빈 영역. |
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Reserved |
특정 크기가 메모리 영역의 사용을 예약 상태. |
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Committed |
물리적 메모리에 맵핑된 상태의 메모리 영역. |
(4) 메모리 관리 기법
운영체제론을 보면 메모리 관리하는 기법은 상당히 많음.
크게 구분하자면 크게 페이징(Paging) 기법과 세그멘테이션(Segmentation) 기법으로 구분.
세부적으로는 상주 모니터, 오버레이(중첩), 스와핑(교체), 고정분할(MFT), 가변분할(MVT), 페이징(Paging), 세그멘테이션(Segmentation), 페이징과 세그멘테이션 혼용 등의 방법.
이 중 우리가 Winodws가 사용하는 페이징과 세그멘테이션 혼용 기법은 디스크를 사용하므로 빠른 하드 디스크와 캐시가 요구되며, 가장 큰 장점은 프로그래머가 메모리의 한계를 걱정할 필요가 없음.
세그멘테이션에 대한 자세한 사항은 다음 포스팅 참조.
(5) 가상 메모리 페이징(Virtual Memory Paging)
적은 양의 메모리를 효과적으로 사용하기 위해서는 Windows 운영체제는 가상 메모리의 특정 영역을 위의 네 가지 상태로 수시로 변경할 수 있어야 함.
램에 맵핑하고 디스크로 옮기고, 해제하고, 다시 할당하는 등의 변환 작업이 원할하게 이루어져야 함.
프로그램 실행중에 운영체제는 열심히 가상 메모리와 물리적 메모리를 맵핑하고, 맵핑 해제를 하고, 그 내용을 저장해야 하는데, 너무 작은 단위로 처리하다 보면 부하가 많이 걸리게 됨.
따라서 여러 메모리 주소(메모리 영역)를 적당한 크기 단위로 묶을 필요가 생기는데, 이 한 다발의 주소 묶음을 '페이지(Page)'라고 부르며, Windows가 메모리를 관리하는 기본 단위가 됨.
페이지의 크기는 CPU와 운영체제 의해 결정.
예를 들어, x86 계열의 경우 4096 바이트이며, DEC Alpha 계열의 경우에는 8192 바이트 단위로 메모리를 묶어서 하나의 페이지로 관리.
왜 페이지라는 또 다른 단위를 만들어서 여러 메모리 번지를 하나로 묶어느냐?라는 질문에는 동적인 주소 변환(DAT ; Dynamic Address Translation) 을 하기 위함.
가상 메모리의 특정 영역이 실제 메모리의 사용을 필요로 하면,
Windows는 페이징 파일에서 해당 페이지를 꺼내어 물리적 메모리로 이동시키고,
해당 어플리케이션에 해당하는 페이지 맵을 변경.
또한 Windows 가 물리적 메모리에 특정 공간을 확보하려고 할 때 램에 존재하는 가장 최근에 사용한 페이지를 디스크의 페이징 파일로 옮겨 놓음.
이렇게 가상 메모리 영역과 물리적 메모리, 디스크로의 이동이 가능해야 메모리를 보다 더 유동적으로 관리할 수 있음.
이 중에서 디스크에 존재하는 현재 실행중인 프로그램의 가상 메모리 영역 일부를 파일로 옮긴 것을 일반적으로 페이징 파일이라고 부름.
위에서 언급했던 가상 메모리와 맵핑되는 물리적 메모리의 또 다른 하나가 바로 페이징 파일.
 페이지 변경 |
 |
페이지 변경
(6) 가상 메모리 접근 등급(Memory Access Protection)
크게 세 가지로 할당된 메모리 영역을 페이지 단위로 접근을 제어 가능.
접근 불가 - PAGE_NOACCESS
읽기 전용 - PAGE_READONLY
읽기/쓰기 - PAGE_READWRITE
Windows 운영체제는 메모리에 대하여 접근 제한 속성을 설정할 수 있도록 API를 제공.
이러한 내용들은 파일에 대한 접근 등급과도 유사, 커널 오브젝트의 특징인 보안 속성과도 유사.
속성을 설정할 때는 메모리를 할당할 때 사용하는 VirturalAlloc API 함수를 이용하고, 생성된 이후에 VirtualQuery API 함수를 통해 할당된 메모리 영역의 속성을 확인 가능.
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등급 |
내용 |
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PAGE_NOACCESS |
접근이 금지된 상태. |
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PAGE_READONLY |
읽기 전용 상태. 중요한 데이터의 경우 덮어쓰기 등의 경우로 데이터를 잃어버리는 경우를 막기 위해 사용. |
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PAGE_READWRITE |
읽거나 쓸 수 있는 상태. 가장 일반적인 형태로 Commit 된 메모리 페이지에 대하여 모든 권한을 부여. |
(7) 32비트 윈도우 가상 메모리 구조 (4GB)
하나의 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 4GB 의 주소 공간이 주어짐.
이 주소 공간은 Free 상태.
즉, 실제 물리적 메모리의 주소가 아닌 가상 메모리 주소 공간 4GB 를 할당.
이 영역 중에서 일정 영역은 Windows 가 사용하는 부분이 있으므로 Reserved 상태로 미리 예약.
어플리케이션이 사용하는 공간은 Free 상태의 하위 2GB 부분.
Shared :
커널에 의해서 공유되어 사용되는 물리적 메모리 영역을 맵핑해 놓은 부분. 즉, 여러 프로세스가 공유해서 쓰는 커널 부분 또는 메모리 맵 파일 부분의 물리적 메모리 영역을 맵핑시켜 놓은 부분.
Private :
어플리케이션만의 독립적인 사용 영역.
NULL 포인터 영역
모두 0 이고, 변경 불가능.
운영체제에 의해 NULL 값으로 이미 정해진 절대 접근 금지 영역으로서 이 영역을 읽거나 쓰려고 시돌할 경우 Access Violation 에러를 발생시키고 프로세스는 종료.
시스템의 안정성 확보를 위해서 Windows 가 할당해 놓은 구간.
16비트 영역(MS-DOS 및 Windows3.X 어플리케이션 영역)
기존과의 호환성을 위해 16비트 또는 도스용 어플리케이션 및 디바이스를 사용할 수 있도록 일정 영역을 할당.
NT 계열에서는 사용하지 않고 클라이언트 버전인 Windows 95/98/Me 에서 사용.
32비트 기반의 어플리케이션이 이 영역을 사용하려고 하면 물론 Access Violation 에러를 발생시키고, 프로세스는 운영체제에 의해 종말.
32비트, 64비트 Windows 운영체제인 NT 4.0 이후의 버전에는 존재하지 않는 영역.
프로세스 영역(어플리케이션 영역)
응용 프로그램이 사용하는 영역.
응용 프로그램 코드가 여기에 상주하며, 위에서 살펴본 스택, 힙, 코드 영역 등이 여기에 속함.
가상 메모리, 힙 메모리 할당 등이 모두 프로세스 영역에서 이루어짐.
중간 경계 영역
어플리케이션 영역과 공유 메모리 영역 중간의 64KB 크기 메모리 영역을 정함.
이 영역은 완충 지대.
접근 시도 경우 Access Violation
공유 메모리 영역(메모리 맵 파일 영역)
시스템이 사용하는 데이터 중 프로세스들과 공유되는 데이터들이 저장되는 영역.
또한 메모리 맵 파일(Memory Mapped File)을 사용하여 하드 디스크의 대용량 스트림 데이터를 사용할 때 Windows에 사용되며, 프로세스간의 통신에도 사용.
Windows 2000 버전 이후에서는 이 영역이 사라지고, 커널 모드가 최대 2GB를 사용하도록 구분.
즉, Windows 2000 에서는 더욱 프로세스의 독립성과 안정성을 강조.
커널 영역
운영체제 시스템 코드가 로드되는 부분이 커널 모드 영역.
스레드 스케쥴링, 메모리 관리, 파일 시스템 로드, 네트워크 관련 코드, 그 밖의 기타 디바이스 드라이버 등이 로드.
이 영역은 시스템 내의 모든 프로세스에게 공유된 메모리.
이것은 물리적 메모리에 한 번 로드되며, 모든 프로세스가 공통으로 사용한다는 뜻인데, 프로세스가 이 영역을 직접 접근하는 것은 막고 있음.
커널 오브젝트에 살펴보았듯이 API 함수를 통하여 얻은 핸들을 통해서만 이 영역을 사용.
[출처:Ji's Lab http://softwareji.tistory.com/68]