[운영체제] 스레싱과 지역성이란??

1. 프레임 할당 방식

메모리는 일정 크기의 프레임(Frame) 단위로 나뉘며, 운영체제는 각 프로세스에 이 프레임을 할당

 

1) 균등 할당(Equal Allocation)

• 모든 프로세스에 동일한 수의 프레임을 할당.
• 예: 총 100개의 프레임, 5개의 프로세스 → 각 프로세스에 20개씩 할당.

2) 비례 할당(Proportional Allocation)

• 프로세스의 크기에 비례하여 프레임을 나눔.
• 큰 프로세스는 더 많은 프레임을 받음.

3) 작업집합 기반 할당(Working Set Model)

• 프로세스가 **최근에 참조한 페이지 집합(= 작업집합)**을 기준으로 프레임을 할당.
• 스레싱을 방지하고 다중 프로그래밍 수준을 높일 수 있음.

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2. 스레싱(Thrashing)이란?

1) 스레싱이란?

 

프로세스가 실행보다 페이지 교체에 더 많은 시간을 소비하는 상태

 

 

2) 발생 원인

• 프로세스에 충분한 프레임이 할당되지 않음.
• 페이지 부재율(Page Fault Rate)이 증가 → 디스크 I/O 증가 → CPU 대기 → 성능 저하.

3) 악순환 구조

• 다중 프로그래밍 정도를 높이면 CPU 사용률이 오름.
• 하지만 한계를 넘으면 스레싱이 발생 → CPU 사용률 급락.

4) 해결 방법

• 다중 프로그래밍 정도를 줄임 (프로세스 수 감소).
• 각 프로세스에 충분한 프레임 할당.

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3. 지역성(Locality)의 원리

1) 지역성 원칙(Principle of Locality)

 

• 프로세스는 메모리 전체를 고르게 접근하지 않고, 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 경향이 있음

 

 

2) 지역성의 종류

• 시간 지역성 (Temporal Locality): 최근에 접근한 페이지는 곧 다시 접근될 가능성이 높음
  예: 루프, 스택, 서브루틴 등
• 공간 지역성 (Spatial Locality): 현재 참조된 페이지 주변 주소도 곧 참조될 가능성이 높음
  예: 배열 순회, 연속적인 코드 실행

3) 지역(Locality) 정의

• 프로세스가 실행되면서 함께 사용되는 페이지 집합
• 프로세스는 하나의 지역에서 실행 → 지역 전환 시 새로운 페이지들 참조.

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4. 작업집합(Working Set) 모델

 

• 지역성을 기반으로 각 프로세스에 필요한 **최소한의 페이지 집합(Δ 시간 동안 참조된 페이지 집합)**을 정의

1) 주요 개념

• WSSi: 프로세스 i의 작업집합 (Δ 기간 참조된 페이지 집합)
• D = Σ WSSi: 전체 시스템의 메모리 수요
• Δ가 너무 작으면 지역성 만족 못 함, 너무 크면 여러 지역 중복 포함

2) 스레싱 방지 방법

• D > m (전체 프레임 수) 이면 → 스레싱 발생
• 이 경우 일부 프로세스를 중단시켜 프레임을 회수 → 다른 프로세스에 재할당

3) 장점

• 스레싱 방지 + 다중 프로그래밍 효율적 유지 가능

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5. 페이지 부재 빈도(Page Fault Frequency, PFF) 기법

 

• 페이지 부재율(Page Fault Rate)을 실시간으로 추적하여 동적으로 프레임을 조정

 

1) 방법

• 페이지 부재율이 상한 초과 → 프레임 추가 할당
• 페이지 부재율이 하한 미만 → 프레임 일부 회수

2) 장점

• 실시간으로 각 프로세스의 메모리 수요 반영
• 스레싱을 미리 방지할 수 있음

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6. 그 외 고려사항

1) 프리페이징(Prepaging)

• 페이지 부재가 발생하기 전에 미리 필요한 페이지를 로딩하여 성능 향상.

2) 페이지 크기(Page Size)

• 너무 작으면 페이지 테이블 커짐 (관리 오버헤드 증가)
• 너무 크면 내부 단편화 증가
• 적절한 균형이 필요함