week8_0702.md

• 리눅스의 low memory와 high memory에 대해 설명하시오.

  • low memory

    • 커널 공간 의 메모리 영역이다.
    • 32비트 시스템에서 4GB 주소 공간 중 보통 0xc0000000 - 0xffffffff 주소 구간에 해당한다.

  • high memory

    • 사용자 공간 의 메모리 영역이다.
    • 32비트 시스템에서 보통 0x00000000 - 0xbfffffff 주소 구간에 해당한다.

  • 왜 커널 공간 을 따로 마련해 놓는가?

    • 커널 코드 는 특정한 커널 공간 에만 존재할 수 있다. 그렇지 않고 모든 프로세스 페이지 테이블의 공통적인 매핑 정보인 커널 코드 가 여기저기 흩어져 있다면, 매번 모든 프로세스의 페이지 테이블을 수정해야 할 것이다. 특정한 커널 공간 에만 존재해야 하는 커널 코드 의 특성상, 커널 공간의 프로세스는 최대한 효율적으로 커널 공간 의 메모리를 할당받아야 한다.

    효율적인 메모리 할당을 위해 슬랩을 사용할 수 있다.

  • 커널 공간 의 여유 메모리가 부족하다면 어떻게 되는가?

    • 사용자 공간 의 메모리를 빌려와야 한다. 이때 사용자 공간 의 high memory에 메모리를 할당받고 할당받은 페이지의 정보를 커널 공간 의 ZONE_HIGHMEM구역에 저장하게 된다.

  • 커널 공간 의 메모리 구역

    • ZONE_DMA
      • 16MB 이하의 메모리 공간
      • 가상메모리 서비스를 받지 못하는 I/O장치들은 시스템 버스 의 폭에 따라 주기억장치 의 모든 공간에 접근하기 어려울 수 있기에 DMA 가 접근 가능한 구역을 ZONE_DMA 로 정해 놓는다.
    • ZONE_NORMAL
      • 16MB ~ 896MB 사이의 메모리 공간
      • 일반적으로 접근 가능한 커널 공간 이며 메모리가 부족하지 않는 한 일반적 할당 작업은 이 구역에서 처리한다.
    • ZONE_HIGHMEM
      • 896MB 이상의 메모리 공간
      • 동적으로 사용자 공간 으로부터 할당받은 메모리의 정보를 저장해서 커널 프로세스 가 접근할 수 있게 한다.

    ZONE_DMA와 ZONE_NORMAL구역은 물리 메모리 와 1:1로 매핑되는 논리 주소 라고 부르고, ZONE_HIGHMEM은 가상 주소 라고 부른다.

• 슬랩이란?

  • 큰 자료구조를 생성하고 해제하는 작업을 자주 실행하는 경우 슬랩을 사용하면 효율적으로 메모리를 관리할 수 있다.
  • 슬랩을 사용하면 다음과 같은 이점이 있다.
    • 해제 리스트에 해제된 객체들을 캐시하고, 특정한 자료구조만을 대상으로 할당하고 해제하므로 성능 을 향상시킬 수 있다.
    • 여러 커널 프로세스에서 다양한 크기의 자료구조를 필요할 때마다 할당하는 방식과 비교하여, 슬랩은 하나의 슬랩이 하나의 자료구조만을 다루고 슬랩의 크기가 정해져 있으므로 메모리 단편화 를 줄일 수 있다.
    • 프로세서별로 별도의 캐시를 가지고 있는 시스템이라면 락을 사용하지 않고도 슬랩에 할당 및 해제가 가능하다.

• CPU별로 데이터를 사용하면 얻는 이점과 단점에 대해 논하시오.

  • CPU별 데이터는 배열에 저장되며 각 항목들이 시스템의 각 프로세서에 대응됨 -> 각 프로세서에서만 사용되는 데이터이므로 락이 필요하지 않다.

  • 이점

    • 특정 메모리 영역에 있는 데이터를 여러 프로세서가 동시에 캐싱하지 않고 CPU별 데이터로 관리한다면 캐시 스래싱 현상을 줄일 수 있다. 리눅스의 Private lock variable이 그 예시이다.
    • 특정 프로세서의 데이터에 다른 프로세서가 접근할 가능성이 없다면 CPU별 데이터에 접근할 때 락을 걸지 않아도 된다.

  • 단점

    • CPU별 데이터를 다룰 때 커널 선점 을 막아야 한다. 현재 프로세서 번호를 받고 난 후에는 휴면 상태가 될 수 없다.
    • CPU별 데이터에 접근할 때 락을 사용하지 않는다면, 경쟁 조건이 발생할 수 있기 때문에 다른 프로세서의 데이터에 접근하는 일은 없어야 한다.

• vmalloc과 kmalloc의 차이를 정리하고, 둘 사이에 성능 차이가 생기는 예시를 하나 드시오.

  • 공통점
    • 커널 프로세스가 페이지 단위의 큰 메모리가 아닌 그보다 작은 메모리를 할당할 때 주로 사용된다.
    • 연속된 가상 메모리 영역을 할당한다.
  • 차이점
    • vmalloc
      • 할당하는 메모리가 물리적으로 연속하다는 것을 보장할 수 없다.
      • kmalloc보다 큰 메모리를 할당할 수 있다.
    • kmalloc
      • 물리적으로도 연속된 메모리를 할당한다.
      • 할당할 수 있는 최대 메모리 크기가 정해져 있다.
  • 성능 차이
    • vmalloc이 kmalloc보다 성능이 떨어질 수 있다.
      • 이유
        • vmalloc은 물리적으로 연속하는 메모리를 할당하지 않으므로 kmalloc에 비해 추가적인 페이지 테이블 수정 작업을 거쳐야 한다.
        • vmalloc을 사용하면 페이지 테이블에 페이지 단위로 등록해야 하므로 kmalloc을 사용할 때에 비해 TLB 접근이 많아진다.
  • vmalloc과 kmalloc 사이에 성능 차이가 생기는 예시
    • DMA를 사용할 때
      • CPU는 DMA controller에게 시작 주소 와 읽어야 할 데이터의 크기 를 넘겨주는데, 이때는 물리적으로 연속한 메모리에 데이터를 저장하는 것이 좋다.