운영체제: 프레임 할당

 가상 메모리를 효율적으로 관리하기 위해서는 프레임 할당을 어떻게 하느냐가 중요하다. 이에 프레임 할당 시 중요되는 관점은 다음과 같다.

 

• 최소 프레임 수 : 프로세스에 최소한으로 할당되는 프로임 수는 시스템에 따라 결정되며, 잘못된 최소 프레임 수는 좋지 않는 성능을 야기한다.

• 할당 정책

  • 균등 할당 : 모든 프로세스가 균등하게 프레임을 할당 받는다.

  • 비례적 할당 : 우선순위에 비례하여 프레임을 할당한다.

• Global, Local Allocation

  • Global Allocation : 모든 프로세스가 페이지 교체의 대상이 될 수 있다.

  • Local Allocation : 특정 프로세스 페이지에 대해서만 교체 디상으로 선정 한다.

 

쓰레싱

 이전의 내용들을 보면, 메모리의 부족으로 가상 메모리를 사용하게 되어, page in/out을 위한 오버헤드가 동반된다. 따라서 사용 가능한 메모리가 증가할 수록 많은 프로세스를 메모리에 할당하여 CPU Utilization을 극대화 할 수 있을 것이라고 생각된다.

 

Figure 1. Thrashing

 하지만 그림 1을 보면 일정 수준까진 CPU Utilization이 상승하지만 한 기점을 기준으로 오히려 CPU Utilization이 감소하는 쓰레싱 현상이 발생한다. 이와 같은 이유는 한번에 많은 양의 프로세스를 메모리에 할당하더라도 시간이 지남에 따라 page in/out과 같은 작업을 동반하게 된다. 즉, 다수의 프로세스로 부터 page in/out 작업을 진행하게 되면 결과적으로 보조 저장장치의 I/O 처리로 인해 CPU Utilization이 감소하게 된다.

 쓰레싱을 완화시키기 위해서는 Local Replacement를 사용하고, 프로세스 당 적절한 프레임을 할당해주어야 한다. 적절한 프레임을 할당하기 위해서는 정적 할당 방식 보다는 동적 할당이 적합하다.

 

동적 할당

Figure 2. Locality in a memory-reference pattern.

  그림 2를 보면 실행 시간에 따라 Locality가 성립함을 알 수 있다. locality를 활용하여 프레임을 할당하는 것은 불가능하다. 왜냐하면 그림 2의 경우 기록된 데이터를 통해 locality를 확인할 수 있지만 동작 중인 과정에서 Locality를 판단한다는 것은 어려운일이다.  따라서 Locality와 유사하게 과거의 페이지 할당에 따라 프레임을 할당하는 working set이 등장하였다.

 

 working set은 일정 시간동안 사용된 페이지의 수를 기준으로 차후에 프레임 할당의 수를 결정한다. 예를 들어 이전의 5ms 동안 프로세스 A의 사용된 페이지가 5개라면, 할당되는 프레임의 수는 5로 결정된다.

 

Page-Fault Frequency

Figure 3. Page-fault frequency.

 페이지 부재는 할당된 프레임의 수가 적을 수록 페이지 부재 비율이 커진다. 이는 프로세스에 할당된 프레임 수에 반비례함을 의미한다. 그림 3과 같이 lower bound와 uper bound를 설정하여 각 bound에 따라 프레임을 감소시키거나 증가 시켜 페이지 부재를 줄인다.