메모리
CPU는 그저 '메모리'에 올라와 있는 프로그램의 명령어들을 실행할 뿐이다. 메모리 계층과 메모리 관리 를 알아보자!!
메모리 계층
메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있다.
- 레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적다.
- 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭한다. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적다. 참고 L3 캐시도 존재 한다.
- 주기억장치 :RAM을 가르킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통이다.
- 보조기억장치 : HDD, SDD를 일컫으며 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많다.
램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다
CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다. 계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라지는
특징이 있다. 이러한 계층이 있는 이유는 경제성 과 캐시 때문이다. ex) 16GB RAM은 8만 원이면 산다 하지만
16GB SSD는 휠씬 더 싼 가격에 살수 있다. 이러한 경제성 때문에 계층을 두어 관리한다.
이러한 계층 구조는 일상생활에서 경험할 수 있는데 게임을 실행하다 보면 '로딩 중'이라는 메시지가 나오는 것을 볼 수 있다.
이는 하드디스크 또는 인터넷에서 데이터를 읽어 RAM으로 전송하는 과정이 아직 끝나지 않음을 의미한다.
캐시
캐시(cache)는 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현
상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.
이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.
실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도차이를 해결한다
이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라 한다.
ex) 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라 할 수있다.
지역성의 원리
그렇다면 캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때는 어떻게 해야 할까요??
이는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 한다. 그렇다면 자주 사용하는 데이터에 대한 근거가 되는 것은
무엇 일까요?? 바로 지역성이다. 지역성은 시간 지역성(temporal locality) 과 공간 지역성(spatial locality) 으로 나뉜다.
시간 지역성
시간 지역성은 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 말한다. ex) for 반복문으로 이루어진 코드 안의 변수
에 i에 계속해서 접근이 이루어지겠죠?? 데이터는 변수 i이고 최근에 사용했기 때문에 계속 접근해서 +1을 연이어
하는 것을 볼 수 있다.
let arr = Array.from({length : 10}, () => 0);
console.log(arr)
for (let i = 0; i < 10; i += 1){
arr[i] = i;
}
console.log(arr)
/*
[
0, 0, 0, 0, 0
0, 0, 0, 0, 0
]
[
0, 1, 2, 3, 4
5, 6, 7, 8, 9
]
*/
공간 지역성
공간 지역성은 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성을 말한다.
위의 코드에서 공간을 나타내는 배열 arr의 각 요소들에 i가 할당되며 해당 배열에 연속적으로
접근함을 알 수 있다.
캐시히트 와 캐시미스
캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트라고 하며, 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를
찾아오는 것을 캐시미스 라고 한다.
위의 그림 처럼 캐시히트를 하게 되면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져오게 된다.
캐시히트의 경우 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반 으로 작동하기 때문에 빠르다.
반면에 캐시미스가 발생되면 메모리에서 가져오게 되는데, 이는 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느리다.
캐시매핑
캐시매핑은 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말한다.
CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다.
레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역
할을 잘 해주려면 이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요하다.
직접 매핑 : 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 1:1 ~ 10, 2:1 ~ 20 이런 식으로 매핑 하는것을 말한다.
처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦다.
연관 매핑 : 순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야
해서 속도가 느리다
집합 연관 매핑 : 직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것이다. 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화
되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적이다. ex) 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면
캐시 1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장 시키는 것을 말한다.
웹 브라우저의 캐시
소프트웨어적인 대표적인 캐시로는 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠기, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있다.
이러한 것들은 보통 사용자으 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청
할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰인다.
쿠키
쿠키는 만료기한이 있는 키-값 저장소이다. same site 옵션 을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서
요청 했을 때 자동 전송되며, 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할수 있다. 쿠키를 설정할 때는
document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요하며, 클라이언트 또는 서버에서 만료기한
등을 정 할수 있는데 보통 서버에서 만료기한을 정한다.
로컬 스토리지
로컬 스토로지는 만료기한이 없는 키-값 저장소이다. 10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고
도메인 단위로 저장, 생성된다. HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용 할 수 없으며 클라이언트에서만
수정 가능하다.
세션 스토리지
세션 스토로지는 만료기한이 없는 키-값 저장소이다. 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이
터가 삭제 된다. 5MB까지 저장이 가능하며 HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용 할 수 없다.
클라이언트에서만 수정이 가능하다.
데이터베이스의 캐싱 계층
참고로 데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터 베이스 계층을
'캐싱 계층'으로 둬서 성능을 향상 시키기도 한다.
다음 포스팅 때는 메모리 관리에 대해 알아 보겠습니다.
참조: 면접을 위한 CS전공지식 노트
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