5. 프레임의 할당

여러 개 프로세스가 존재하고, 93개의 가용 프레임이 있다고 하자.

어느 프로세스에게 몇 개의 프레임을 할당해야 하는가?

프레임이 다 떨어질 경우를 대비해서 예비 프레임을 남겨둬야 하는가?

최소 할당량

메모리 할당의 제한을 알아보자.

가용 프레임 수보다 더 많은 수를 할당할 순 없다.
최소한 몇 페이지는 할당해야 한다.

두 번째 제한이 필요한 이유

프레임 수가 줄면 페이지 폴트율이 증가한다.
명령어 수행 중 페이지 폴트가 발생하면, 이를 재실행해야 한다.

그래서 하나의 명령어가 참조하는 모든 페이지는 동시에 메모리에 올라와 있어야 그 명령어의 수행이 끝날 수 있게 된다.

최소 할당량 (프레임 수) 정하기

컴퓨터 아키택처에 의해 정의된다.
최소 할당량이 제한되는 여러가지 상황을 살펴보자.

주어진 아키텍쳐에서 이동 명령에 몇가지 제한을 내렸다고 가정하자.
이 경우 프레임 수의 제한이 걸릴 수 있다.

1. 이동명령 = 주어진 아키텍처에서 데이터를 이동하거나 복사하는 명령
	* 명령어에는 주소지정 모드, 어떻게 피연산자를 지정하는지 결정하는 방식이 있음.
	* 특정 주소지정 모드에서는 하나 이상의 워드(= 데이터 표현 단위)를 포함
	* 즉 이동 명령이 여러 개의 데이터를 다룰 수 있음.
=> 위와 같은 케이스에선 이동 명령이 최소 2개의 프레임에 걸쳐 있을 수 있음.

2. 간접 참조를 사용하는 경우 6개 프레임이 필요
	* 이동 명령에서 피연산자들이 간접 참조를 사용할 수 있음.
	* 이 경우 피연산자의 주소를 읽어오기 위해서 두번의 메모리 액세스 필요.
	* 따라서 최소 6개의 프레임 필요.

3. 인텔 32 / 64비트 아키텍처의 이동명령
	* 레지스터와 메모리 사이에서만 데이터를 이동할 수 있음.
	* 따라서 메모리 간 데이터 이동을 위해서는 메모리 -> 레지스터 -> 메모리로 이동.
	* 그래서 최소 프레임 수를 제한.

할당 알고리즘

n개의 프로세스, m개의 프레임이 있다고 쳐보자.

균등 할당 : 각 프로세스마다 m/n개씩 프레임을 준다.
- 프로세스별 필요한 값이 다를 수 있음

비례 할당 : 각 프로세스의 크기 비율에 맞추어 프레임을 준다.

프로세스 a가 있다고 해보자.

a의 프레임 할당량 = (가용프레임 갯수) * (a의 크기) / (전체 프로세스의 크기)

두 방식 모두 다중 프로그래밍 정도에 따라 할당량이 달라진다.

높아지면 각 프로세스는 모두 덜 받게 된다.
낮아지면 각 프로세스는 모두 넉넉하게 받게 된다.

단, 이 방식 모두 우선순위와 상관 없이 배분한다

우선순위가 높은 프로세스에 더 많은 프레임을 분배할 수도 있다.
그래서 프레임 비율을 프로세스의 크기가 아닌 우선순위에 맞추거나 둘을 섞는 방법도 존재한다.

전역 할당 vs 지역 할당

정의 보기

전역 할당 (Global Allocation):

전역 할당은 모든 프로세스가 하나의 공용 메모리 공간을 사용하는 방식입니다.

메모리는 하나의 큰 공용 메모리 풀로 관리되며, 모든 프로세스는 이 메모리 풀에서 필요한 만큼의 메모리를 할당 받습니다.

프로세스들은 서로 독립적인 메모리 공간을 가지지 않으며, 이로 인해 메모리 관리가 비교적 간단해지는 장점이 있습니다.

하지만 프로세스들이 메모리를 공유하므로, 한 프로세스의 오류가 다른 프로세스에 영향을 미칠 수 있고, 메모리 사용 충돌 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

지역 할당 (Local Allocation):

지역 할당은 각 프로세스가 독립적인 메모리 공간을 가지는 방식입니다.

메모리는 각 프로세스별로 별도의 공간을 할당하여 사용됩니다.

프로세스들이 서로의 메모리 공간에 직접 접근하는 것이 불가능하므로, 프로세스들은 서로 독립적으로 실행될 수 있습니다.

하지만 메모리 할당 및 관리에 있어서 프로세스별로 별도의 메모리 공간을 관리해야 하므로, 전역 할당에 비해 더 많은 메모리 관리 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

전역 할당 상에서 페이지를 교체하는 것을 전역 교체라고 한다.
지역 할당 상에서 페이지를 교체하는 것을 지역 교체라고 한다.

전역 교체 시의 전략

가용 메모리의 최대 임계값과 최소 임계값을 정한다.
최소 임계값보다 떨어지면 페이지 회수를 시작하는 커널 루틴이 촉발
- 이러한 루틴은 리퍼라고 함
- 모든 페이지 알고리즘을 적용할 수 있음.
최대 임계값에 도달하면 리퍼 루틴 중지.

만약 리퍼 루틴이 가용 프레임 리스트를 최소 임계값 이상으로 유지 할 수 없는 경우라면?

리퍼 루틴이 좀 더 공격적인 알고리즘을 사용할 수 있다.
메모리 부족(Out Of Memory, OOM) 킬러를 사용
프로세스별 OOM 점수를 기록, 가장 큰 것을 죽임.

비균등 메모리 접근

여러 개의 CPU가 있는 상황에서는 메인 메모리는 동등하게 접근되지 않는다.

특정 CPU는 메인 메모리의 일정 영역을 다른 영역보다 더 빠르게 접근할 수 있다.

이러한 시스템을 Non-uniform Memory Access, NUMA라고 한다.

NUMA는 균등 메모리 접근보다는 그 속도가 느리다.

그러나 더 많은 CPU를 수용할 수 있으므로 더 높은 처리량과 병렬처리를 달성한다.

어느 페이지를 어느 프레임에 할당하지에 대한 정책이 NUMA의 성능에 영향을 미친다.

이러한 시스템에서 메모리를 동등하게 대우하면 CPU가 메모리에 접근할 때 대기 시간이 매우 길어지게 된다.
이러한 모든 수정의 목표는 프로세스에게 실행 중인 CPU에 “가능한 가장 가까운” 메모리 프레임을 할당하기 위한 것
- 가까운 = 최소 지연 시간을 가진
- CPU와 같은 보드에 장착된 메모리를 의미

NUMA를 고려하면, 스케쥴러는 프로세스가 마지막으로 실행된 CPU를 추적해야 한다.

가상 메모리 시스템은 이때 스케쥴 된 CPU와 가까운 프레임을 할당한다.
그 결과 캐시 적중률이 높아지고 메모리 접근 시간이 감소한다.

쓰레드까지 고려하면 더 복잡해진다.

리눅스 커널은 스케쥴링 도메인의 계층 구조를 형성해 이 문제를 해결한다.
각 NUMA 노드는 별도의 가용 프레임 리스트가 있다.
- 쓰레드는 자신이 실행 중인 노드에 대해서 메모리를 할당받는 것을 보장받는다.
그룹 간의 지연시간을 기반으로 하는 Igroup 계층 구조 존재.