[운영체제] 메모리 (1)

1. 메모리 계층 

• 메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성이 되어 있습니다.
• 레지스터는 CPU 안에 있는 작은 메모리이며 특징으로는 휘발성이고 속도가 가장 빠르며, 기억 용량이 가장 적습니다.
• 캐시는 L1, L2 캐시를 지칭합니다. 캐시의 특징은 휘발성이며 속도가 빠르고 기억 용량이 적습니다. 
• 주기억장치(RAM)의 특징은 휘발성이고 속도는 보통이며, 기억 용량이 보통입니다.
• 보조기억장치는 HDD, SSD를 말하며 비휘발성이고 속도는 낮으며, 기억 용량이 많습니다.

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시로 저장하고 필요할 때마다 CPU에 전달하는 역할을 합니다.

계층이 위로 갈수록 용량이 작아지고 속도는 빨라진다는 특징이 있습니다. 

 

2. 캐시

• 캐시는 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리입니다. 
• 이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 계산 시간을 절약할 수 있습니다.

병목 현상이란? -두 구성 요소의 최대 성능의 차이로 인해 한 구성 요소가 다른 하드웨어의 잠재 성능을 제한하는 것을 말합니다.

 

3. 캐시히트와 캐시미스

• 캐시에서 원하는 데이터를 찾는 것을 캐시히트라고 말합니다.
• 만약 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는데 이것을 캐시미스라고 말합니다.
• 캐시히트를 하게 되면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐서 가져오게 됩니다. 
• 캐시히트의 경우 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르다는 특징이 있습니다.
• 반면, 캐시미스가 발생하게 된다면 메모리에서 가져오게 되는데, 이는 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느립니다.

4. 캐시매핑

• 캐시매핑은 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말합니다.
• CPU의 레지스터와 주 메모리 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명합니다.
• 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘해주려면 이 매핑을 어떻게 하냐가 중요합니다.

4.1 캐시매핑 종류

• 직접매핑(directed mapping): 메모리가 1~10이 있다면 1:1~10, 2:1~10 ... 이런 식으로 매핑하는 것을 말합니다. 처리가 빠르다는 장점이 있지만 충돌 발생이 잦다는 단점이 존재합니다.
• 연관매핑(associative mapping): 순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑합니다. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느립니다.
• 집합 연관 매핑(set associative mapping): 직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것입니다. 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화 되어 있기 때문에 검색은 더 효율적입니다. 

5. 웹 브라우저의 캐시

• 대표적인 캐시로는 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있습니다. 
• 이런 것들은 보통 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰입니다.

5.1 쿠키

• 쿠키는 만료기한이 있는 키-값 저장소입니다. 
• same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송되며, 4kb까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있습니다.
• 쿠키를 설정할 때는 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요합니다.
• 클라이언트 또는 서버에서 만료기한 등을 정할 수 있는 데 보통 서버에서 만료기한을 정합니다.

5.2 로컬 스토리지 

• 로컬 스토리지는 쿠키와 반대로 만료기한이 없는 키-값 저장소입니다.
• 10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성됩니다.
• HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없고 클라이언트에서만 수정이 가능합니다.

5.3 세션 스토리지 

• 세션 스토리지는 만료기한이 없는 키-값 저장소입니다. 
• 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제됩니다. 
• 5MB까지 저장이 가능하며 HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없고 클라이언트에서만 수정이 가능합니다.