[정보처리기사] 4과목 프로그래밍 언어 활용 288 ~ 296 (파일 디스크립터, 기억장치 관리-배치 전략, 페이징 기법, 세그멘테이션 기법, 페이지 교체 알고리즘, 페이지 크기, Locality, 워킹 셋, 스래싱)

• 288 파일 디스크립터(File Descriptor)
• 289 기억장치 관리 - 배치(Placement) 전략
• 290 페이징(Paging) 기법
• 291 세그멘테이션(Segmentation) 기법
• 292 페이지 교체 알고리즘
• 293 페이지 크기
• 294 Locality
• 295 워킹 셋(Working Set)
• 296 스래싱(Thrashing)

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• 파일 디스크립터(File Descriptor)
  • 파일을 관리하기 위한 시스템(운영체제)이 필요로 하는 파일에 대한 정보를 가진 제어 블록을 의미
  • 파일 제어 블록(FCB; File Control Block) 이라고도 한다.
  • 파일 디스크립터는 파일마다 독립적으로 존재하며, 시스템에 따른 다른 구조를 가질 수 있다
  • 보통 파일 디스크립터는 보조기억장치 내에 저장되어 있다가 해당 파일이 Open될 때 주기억장치로 옮겨진다.
  • 파일 디스크림터는 파일 시스템이 관리하므로 사용자가 직접 참조할 수 없다.
• 기억장치 관리-배치(Placement) 전략
  • 배치 전략은 새로 반입되는 프로그램이나 데이터를 주기억장치의 어디에 위치시킬 것인지를 결정하는 전략
  • 1) 최초 적합(First Fit)
    • 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중에서 첫 번째 분할 영역에 배치시키는 방법
  • 2) 최적 적합(Best Fit)
    • 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중에서 단편화를 가장 작게 남기는 분할 영역에 배치시키는 방법
  • 3) 최악 적합(Worst Fit)
    • 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중에서 단편화를 가장 많이 남기는 분할 영역에 배치시키는 방법
• 페이징(Paging) 기법
  • 가상기억장치에 보관되어 있는 프로그램과 주기억장치의 영역을 동일한 크기로 나눈 후 나눠진 프로그램(페이지)을 동일하게 나눠진 주기억장치의 영역(페이지)을 동일하게 나눠진 주기억장치의 영역(페이지 프레임)에 적재시켜 실행하는 기법
  • 프로그램을 일정한 크기로 나눈 단위를 페이지(Page)라고 하고, 페이지 크기로 일정하게 나누어진 주기억장치의 단위를 페이지 프레임(Page Frame)이라고 한다.
  • 외부 단편화는 발생하지 않으나 내부 단편화는 발생할 수 있다.
  • 주소 변환을 위해서 페이지의 위치 정보를 가지고 있는 페이지 맵 테이블(Page Map Table)이 필요하다.
• 세그멘테이션(Segmentation) 기법
  • 가상기억장치에 보관되어 있는 프로그램을 다양한 크기의 논리적인 단위로 나눈 후 주기억장치에 적재시켜 실행시키는 기법
  • 프로그램을 배열이나 함수 등과 같은 논리적인 크기로 나눈 단위를 세그먼트(Segment)라고 하며, 각 세그먼트는 고유한 이름과 크기를 갖는다.
  • 주소 변환을 위해서 세그먼트가 존재하는 위치 정보를 가지고 있는 세그먼트 맵 테이블(Segment Map Table)이 필요하다.
  • 내부 단편화는 발생하지 않으나 외부 단편화는 발생할 수 있다.
• 페이지 교체 알고리즘
  • 페이지 부재(Page Fault)가 발생했을 때 가상기억장치의 필요한 페이지를 주기억장치에 적재해야 하는데, 이때 주기억장치의 모든 페이지 프레임이 사용중이면 어떤 페이지 프레임을 선택하여 교체할 것인지를 결정하는 기법
  • 종류
    • 1) OPT(OPTiaml replacement, 최적 교체)
      • 앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체하는 기법
      • 벨레이디(Belady)가 제안한 것으로, 페이지 부재 횟수가 가장 적게 발생하는 가장 효율적인 알고리즘
    • 2) FIFO(First In First Out)
      • 각 페이지가 주기억장치에 적재될 때마다 그때의 시간을 기억시켜 가장 먼저 들어와서 가장 오래 있었던 페이지를 교체하는 기법
      • 이해하기 쉽고, 프로그래밍 및 설계가 간단함
    • 3) LRU(Least Recently Used)
      • 최근에 가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법
      • 각 페이지마다 계수기(Counter)나 스택(Stack)을 두어 현 시점에서 가장 오랫동안 사용하지 않은, 즉 가장 오래 전에 사용된 페이지를 교체함
    • 4) LFU(Least Frequently Used)
      • 사용 빈도가 가장 적은 페이지를 교체하는 기법
      • 활발하게 사용되는 페이지는 사용 횟수가 많아 교체되지 않고 사용됨
    • 5) SCR(Second Chance Replacement, 2차 기회 교체)
      • 가장 오랫동안 주기억장치에 있던 페이지 중 자주 사용되는 페이지의 교체를 방지하기 위한 것으로, FIFO 기법의 단점을 보완하는 기법
    • 6) NUR(Not Used Recently)
      • LRU와 비슷한 알고리즘으로, 최근에 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법
      • 최근에 사용되지 않은 페이지는 향후에도 사용되지 않을 가능성이 높다는 것을 전제로, LRU에서 나타나는 시간적인 오버헤드를 줄일 수 있음
      • 최근의 사용 여부를 확인하기 위해서 각 페이지마다 두 개의 비트, 즉 참조 비트(Reference Bit)와 변형 비트(Modified Bit, Dirty Bit)가 사용됨
  • 페이지 크기
    • 페이지 크기가 작을 경우
      • 페이지 단편화가 감소되고, 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 줄어든다.
      • 불필요한 내용이 주기억장치에 적재될 확률이 적으므로 효율적인 워킹 셋을 유지할 수 있다.
      • Locality에 더 일치할 수 있기 때문에 기억장치 효율이 높아진다.
      • 페이지 정보를 갖는 페이지 맵 테이블의 크기가 커지고, 매핑 속도가 늦어진다.
      • 디스크 접근 횟수가 많아져서 전체적인 입·출력 시간은 늘어난다.
    • 페이지 크기가 클 경우
      • 페이지 정보를 갖는 페이지 맵 테이블의 크기가 작아지고, 매핑 속도가 빨라진다.
      • 디스크 접근 횟수가 줄어들어 전체적인 입·출력이 효율성이 증가된다.
      • 페이지 단편화가 증가되고, 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 늘어난다.
      • 프로세스(프로그램) 수행에 불필요한 내용까지도 주기억장치에 적재될 수 있다.

• Locality(국부성, 지역성, 구역성, 국소성)
  • 프로세스가 실행되는 동안 주기억장치를 참조할 때 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 성질이 있다는 이론
  • 스래싱을 방지하기 위한 워킹 셋 이론의 기반이 되었다.
  • 종류
    • 1) 시간 구역성(Temporal locality)
      • 프로세스가 실행되면서 하나의 페이지를 일정 시간 동안 집중적으로 액세스하는 현상
      • 한 번 참조한 페이지는 가까운 시간 내에 계속 참조할 가능성이 높음을 의미
      • 시간 구역성이 이루어지는 기억 장소 : Loop(반복, 순환), 스택(Stack), 부 프로그램(Sub Routine), Counting(1씩 증감), 집계(Totaling)에 사용되는 변수(기억장소)
    • 2) 공간 구역성(Spatial Locality)
      • 프로세스 실행 시 일정 위치의 페이지를 집중적으로 액세스하는 현상
      • 어느 하나의 페이지를 참조하면 그 근처의 페이지를 계속 참조할 가능성이 높음을 의미
      • 공간 구역성이 이루어지는 기억장소 : 배열 순회(Array Traversal, 배열 순례), 순차적 코드의 실행, 프로그래머들이 관련된 변수(데이터를 저장할 기억장소)들을 서로 근처에 선언하여 할당되는 기억장소, 같은 영역에 있는 변수를 참조할 때 사용
• 워킹 셋(Working Set)
  • 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합
  • 데닝(Denning)이 제안한 프로그램의 움직임에 대한 모델로, 프로그램의 Locality 특징을 이용한다.
  • 자주 참조되는 워킹 셋을 주기억장치에 상주시킴으로써 페이지 부재 및 페이지 교체 현상이 줄어들어 프로세스의 기억장치 사용이 안정된다.
  • 시간이 지남에 따라 자주 참조하는 페이지들의 집합이 변화하기 때문에 워킹 셋은 시간에 따라 변경된다.
• 스래싱(Thrashing)
  • 프로세스의 처리 시간보다 페이지 교체에 소요되는 시간이 더 많아지는 현상
  • 다중 프로그래밍 시스템이나 가상기억장치를 사용하는 시스템에서 하나의 프로세스 수행 과정 중 자주 페이지 부재가 발생함으로써 나타나는 현상으로, 전체 시스템의 성능이 저하된다.
  • 다중 프로그래밍의 정도가 높아짐에 따라 CPU의 이용률은 어느 특정 시점까지는 높아지지만, 다중 프로그래밍의 정도가 더욱 커지면 스래싱이 나타나고, CPU의 이용률은 급격히 감소하게 된다.
  • 스래싱 현상 방지 방법
    • 다중 프로그래밍의 정도를 적정 수준으로 유지한다.
    • 페이지 부재 빈도(Page Fault Frequency)를 조절하여 사용한다.
    • 워킹 셋을 유지한다.
    • 부족한 자원을 증설하고, 일부 프로세스를 중단시킨다.
    • CPU 성능에 대한 자료의 지속적 관리 및 분석으로 임계치를 예상하여 운영한다.