[OS] Main Memory (1)

 

File이 Executable(실행가능한) File이면 이를 Program이라 부른다.

Program이 "실행 중"인 상태라면 이를 Process라 부른다.

 

"실행 중"이란 말은 CPU에 의해 Instruction이 수행 중인 상태를 의미한다. 

CPU는 Main Memory와 내부의 Register에 직접 접근할 수 있기 때문에, 

"실행 중"인 상태로 만들기 위해선 Disk의 Program을 Main Memory로 Load하여야 한다.

 

즉, Program이 Process가 되기 위해선 Main Memory에 Load되어야 한다. 

 

 

Multistep Processing of a User Program

우선, Program이 Main Memory에 Load되기 까지의 과정을 살펴보자.

 

Source File이 CPU에서 수행되기 위해 바이너리 형태의 기계어로 번역되어야 하는데,

"Compiler와 Assembler"를 거치면 기계어(Binary)로 작성된 Object File이 생성된다.

 

우리의 코드에서 보통 Source File을 여러개로 분리한다.

"Linker"는 이러한 여러개의 Object File은 하나의 Executable File로 만든다. 

 

이는 Disk에 저장되며, "Loader"에 의해 Main Memory에 의해 적재된다. 

 

 

 

Address Binding

"Address Binding"이란,

CPU에서 수행할 수 있도록, 

Instruction과 Data들을 Main Memory에서의 주소로 매핑(Binding)하는 과정이다.

 

Address는 크게 3가지로 나눌 수 있는데, 다음과 같다. 

• Symbolic Address : 변수, 함수와 같이 상징적인 이름을 주소로 사용하는 방법이다. 
• Logical(Virtual) Address : 프로그램이 실행중에 CPU에 의해 생성된 CPU관점에서의 Virtual한 주소이다. (Virtual Memory를 사용할 때 사용되는 개념)
• Physical Address : Main Memory에서의 실제 위치(Absolute Address)

예를 들어, 아래와 같은 코드가 소스파일에 존재한다면,

value: Int = 10

아래와 같이 Memory주소공간에서의 위치(Physical Address)가 담겨있는 코드로 변경되어야 한다.

store #198000, 10

이는 최종적으로 Physical Address가 된다.

 

즉, 실제 수행되기 위해선

Symbolic Address가 Physical Address로 변환되어야 하는데, 

변환 시점에 따라 3가지로 나눌 수 있다. 

• Compile Time Binding 
• Load Time Binding
• Execution Time Binding

 

Compile Time Binding

"Compile Time Binding"은

Compile Time에 Physical Address로 매핑되는 Address Binding이 수행된다.

Compiler는 위와 같이 Program 시작위치를 기반으로 Absolute Code를 생성한다.

"Absolute Code"란 Compile Time에 Physical Address를 알고 있는 경우에 생성되는 것으로
Absolute(Physical) Address를 나타낸다.

store #198000, 10

해당 Code의 주소는 실제 Memory위치에서의 공간이 된다. 

즉, Compile Time에 Physical Address가 결정된다.

 

Compile Time Binding은 CPU가 바라보는 Logical Address는 

실제 Memory위치를 가르키기 때문에, Physical Address와 같게 된다.

 

해당 방법은 Compile Time에 결정난 Physical Address는 Recompile하지 않는 이상 바꿀 수 없다. 

따라서, 시작 위치가 변경되면 Recompile을 하여야 한다.

Single Programming에선 해당 위치를 고정해서 사용할 수 있지만, 

Multi Programming환경에선 잘 쓰이지 않는 방법이다.

 

Load Time Binding

Main Memory에 Load될 때 Address Binding이 일어나는 것을 "Load Time Binding"이라 한다.

Compiler는 위와 같이 상대 주소를 나타내는 relocatable(재배치 가능한) code를 생성한다. 

Compiler가 Compile Time에 Physical Address를 알고 있을 땐
Absolute code가 생성되는 반면, 
Compile Time에 Physical Address를 모른다면, 
상대 주소를 나타내는 relocatable code가 생성된다.

 

이는 Loader에 의해 상대 주소는 시작위치를 더해 Physical Address로 Binding된다. 

 

Load Time Binding 역시 CPU가 바라보는 Logical Address는

실제 Memory위치를 가르키기 때문에, Physical Address와 같게 된다.

 

해당 방법 역시, Process의 시작 위치가 변경되면 Reload를 진행해야 한다.

 

Run Time Binding (Dynamic Binding)

"Run Time Binding"은

실제 프로그램이 CPU에 수행 중인 Run Time에 Address Binding이 수행된다.

즉, CPU에서 해당 주소를 참조할 때, Physical Address로 변환된다.

이 역시, Compile Time에 Physical Address를 알 수 없기에,

Compiler는 Relocatable code를 생성한다.

 

주로 Virtual Memory를 사용할 때 사용되는 Binding방식이기에, 

Virtual Memory 포스팅에서 자세히 다룰 것이다. 

 

CPU에 생성된 Logical(Virtual) Address는 실제 메모리 위치를 가리키는 것이 아닌 가상의 주소이며,

MMU와 같은 추가적인 HW를 통해 Physical Address로 변환된다.

 

즉, Logical Address와 Physical Address는 다르며,

현대 OS가 대부분 사용하는 기법이다.

 

MMU (Memory Management Unit)

"MMU"는 CPU가 Main Memory에 접근하는 것을 관리하는 HW이다. 

이는 CPU에 의해 생성된 Logical Address에

Relocation Register의 값을 더해 Physical Address로 만들어 준다.

 

MMU로 인해 Program과 CPU는 Physical Address를 몰라도 되는 구조가 된다.

또한, MMU는 Memory Protection도 가능하다.

CPU가 직접 Physical Memory의 위치를 가르키는 것이 아니라, 

MMU의 Limit와 Relocation Register를 통해 접근을 검사할 수 있다.

 

 

Linking

"Linking"이란 외부 모듈(Library..)를 연결하는 작업을 의미한다.

 

우리의 코드에는 여러 Library Module을 사용한다.

예를 들어, Source File에서 printf 함수를 사용했다고 가정하자. 

Compile된 Object File을 printf 함수에 대한 정보를 알지 못한다. 

따라서, Executable File에는 printf가 정의된 Library Module에서 해당 정보를 포함시켜야 한다.

 

Symbol은 코드에서 사용하는 함수와 변수에 대해 주소나 크기와 같은 정보들을 포함한다.
이후 해당 함수나 변수가 사용될 때, Symbol을 통해 매핑한다.

Linking은 크게 Static Linking과 Dynamic Linking으로 나눌 수 있다.

 

Static Linking

"Static Linking"이란

Compile된 Object File을 Executable File로 만들 때,

사용하는 모든 Library Module을 복사하여 합치는 방식이다. 

해당 작업은 Linker에 의해 수행되며, 

Static Linking으로 Linking되는 Library들을 Static Library라 부른다.

 

장점

Executable File에 이미 모든 Library 정보들이 포함되어 있기 때문에,

실행 시간에 있어서는 빠르다. 

 

단점

Library의 기능이 Update된 경우,

Client가 해당 기능을 사용하기 위해선 컴파일과 링킹을 통해 새로운 실행파일을 만들어 줘야 한다.

 

또한, Static Library가 많아지는 경우 Executable File의 크기가 커져 메모리 낭비로 이어질 수 있다. 

 

마지막으로, 같은 Library를 가진 여러 프로그램이 동시에 실행되면, 

같은 Library Module이 여러번 복사되기 때문에 이 역시 메모리 낭비로 이어질 수 있다. 

 

예를 들어, 3개의 프로그램에서 iostream을 Static Linking을 하였고, 동시에 실행한다고 가정하자. 

그렇다면 각 프로그램은 iostream 모듈이 복사가 되어 Executable file이 생성이 되고,

각 Executable File에는 iostream 모듈이 중복이 일어날 것이다.

 

Dynamic Linking

"Dynamic Linking"은 Static Linking과 달리, 

Runtime 도중 해당 Library를 사용할 때 Linking되는 방식이다. 

 

Dynamic Library들은 Memory에 올라가고, 

Linker에 의해 Executable File이 생성될 때는 

Library를 포함하는 것이 Library의 Memory상의 주소만을 포함한다.

따라서, Runtime 도중 해당 주소로 Library와 Linking을 할 수 있다.

이를 통해 여러번 쓰이는 Library라도 Memory에 하나만 Load할수 있기 때문에,

이를 Dynamic Library 혹은 Shared Library라 부른다.

 

장점

Library의 기능이 Update되어도, recompile할 필요 없이 client가 바로 기능을 사용할 수 있다. 

 

또한, Executable File에는 Library가 복사되는 것이 주소만이 복사되기 때문에, 

Executable File의 크기가 작다. 

 

마지막으로, Dynamic Library는 Memory에 하나만 올라가기 때문에,

메모리 관리 차원에서도 좋다.

 

단점

프로그램 영역에서 Library가 저장되어 있는 주소로 점프하는 작업이 필요하기 때문에, 

성능 적으로는 Static Linking보다는 떨어진다. 

 

만약, Executable File에 포함된 주소에 Library가 존재하지 않는 경우 에러가 날 수 있다.

 

 

Dynamic Loading

"Loading"은 Disk상에 저장되어 있던 Executable File(Process)를 Main Memory Load하는 작업을 말한다. 

 

Main Memory로 Load되면 Process는 Address Space(Data, Stack, Heap, Text) 영역이 할당되는데,

Text(code)와 Data(static, global 변수)들은 Executable File에 존재하기 때문에, 

해당 정보들이 할당된다.

 

"Dynamic Loading"이란

Executable File을 Main Memory(Address Space)에 한 번에 Load하는 것이 아닌, 

필요할 때 Loading하는 방식이다.

 

예를 들어, 프로그램 내에 A라는 함수가 존재한다 해보자. 

A라는 함수는 호출될 때, Memory에 Load된다. 

즉, 호출되지 않는 Routine은 Memory에 Load되지 않는 방식이다.

 

이는 메모리 구조를 더욱 효율적으로 사용할 수 있으며, 

Error Handling과 같이 자주 발생하지 않으면서, 많은 양의 코드가 필요한 경우 유용하다.

 

Static Linking과 Dynmamic Loading을 같이 사용하게 되면 문제가 발생한다.

Static Linking의 경우, Compile Time에 Linking작업이 일어난다. 

따라서 Compile Time에 Excutable File에 해당 모듈의 Relative 주소 혹은 Absolute 주소가 할당된다. 

예를 들어, printf함수의 경우 Static Linking은 Compile Time에 상대 주소 혹은 절대 주소가 결정난다.
상대 주소의 경우 Process의 시작위치를 0으로 하는 주소이고, 절대 주소는 실제 Memory에서 주소이기 때문에, 
Compile Time에 위치가 고정된다. 

하지만, Dynamic Loading은 필요시에 Main Memory로 Load하기 하기 때문에,

적재시마다 Compile Time에 정해진 Memory공간이 비어있으리란 보장이 없다.

 

따라서, Dynamic Loading의 경우, Dynamic Linking이 필요하다. 

 

 

Swapping

Main Memory는 한정적이기 때문에, 모든 Process를 다 올리지 못한다. 

"Swapping"은 필요한 경우, 

Backing Store이란 보조 메모리에 Process Image를 보냈다가 

필요할 때 다시 가져오는 방법이다. 

Process Image란, Data Program, PCB 등을 가지고 있다.
Context보단 많은 내용을 포함하고 있는 일종의 스냅샷으로 생각하면 될 꺼 같다.

Dynamic Loading, Dynamic Linking과 같이 메모리의 활용도를 올리는 방법 중 하나로,

Backing Store에 보내는 것을 "Swap Out"이라 하고, 

다시 Memory로 가져오는 것을 "Swap In"이라 한다.

 

 

References

Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne의 『Operating System Concept 9th』