프래그멘테이션

외부 단편화는 컴퓨터의 저장 장치에서 사용 가능한 여유 공간이 충분함에도 불구하고, 그 공간이 여러 개의 작고 연속되지 않은 조각들로 분산되어 있어 큰 덩어리의 데이터를 연속적으로 할당하거나 저장하지 못하게 되는 현상을 말한다. 이는 주로 메모리 관리나 파일 시스템에서 파일의 반복적인 생성과 삭제, 또는 메모리 블록의 할당과 해제 과정에서 발생한다. 연속적인 공간 할당 방식을 사용하는 시스템에서 특히 두드러진다.

이러한 단편화가 발생하면, 시스템에는 총합으로는 충분한 크기의 사용 가능 공간이 존재하지만, 각각의 조각은 요청된 크기보다 작아 실제로는 활용할 수 없는 상태가 된다. 이는 저장 공간의 이용 효율을 현저히 저하시키는 주요 원인이 된다. 예를 들어, 총 100MB의 여유 공간이 20MB, 30MB, 50MB의 세 조각으로 나뉘어 있을 때, 80MB 크기의 프로그램을 로드하려고 하면 실패하게 된다.

외부 단편화를 해결하기 위한 방법으로는 압축이 있다. 압축은 주기억장치에 분산되어 있는 여러 프로그램들을 재배치하여 사용 중인 모든 메모리 블록을 한쪽으로 밀어 모으고, 그렇게 생급� 큰 연속된 여유 공간을 확보하는 기법이다. 그러나 이 과정에서는 시스템의 전체 작업을 일시 중지해야 하며, 상당한 오버헤드가 발생한다는 단점이 있다. 디스크의 경우, 이와 유사한 작업을 조각 모음이라고 부른다.

내부 단편화는 할당된 메모리 블록 내부에서 실제로 사용되지 않고 낭비되는 공간을 의미한다. 이는 주로 메모리 관리 기법 중 하나인 페이징 시스템에서 발생하는 현상이다. 페이징 시스템에서는 프로세스가 필요로 하는 메모리 공간을 고정된 크기의 페이지 단위로 나누어 할당하는데, 프로세스의 마지막 페이지는 필요한 양보다 작은 데이터를 담고 있어도 전체 페이지를 모두 점유하게 된다. 이렇게 페이지 내에서 사용되지 않고 남는 공간이 내부 단편화다.

내부 단편화의 크기는 할당 단위의 크기에 직접적으로 영향을 받는다. 예를 들어, 운영체제가 4KB 크기의 페이지를 사용하고, 어떤 프로세스가 5KB의 메모리만 필요로 한다면, 두 개의 페이지(총 8KB)가 할당된다. 이때 첫 번째 페이지는 가득 차지만, 두 번째 페이지는 3KB만 사용되고 1KB는 사용되지 않은 채로 남게 되어 낭비된다. 따라서 페이지의 크기가 클수록 평균적으로 발생하는 내부 단편화의 양도 커질 가능성이 높다.

이러한 내�비 공간은 메모리 이용 효율을 저하시키는 요인이 된다. 사용되지 않는 공간이 메모리 전체에 산재하게 되어, 전체 메모리 용량 대비 실제로 유효하게 사용할 수 있는 공간의 비율이 낮아진다. 내부 단편화는 외부 단편화와 달리 이미 할당된 공간 내부에서 발생하는 낭비이기 때문에, 압축과 같은 방법으로 해결할 수 없다.

내부 단편화를 줄이기 위한 일반적인 방법은 할당 단위의 크기를 줄이는 것이다. 페이지 크기를 작게 설정하면 프로세스의 마지막 페이지에서 낭비되는 공간의 평균 크기가 줄어들게 된다. 그러나 페이지 크기를 지나치게 작게 만들면, 하나의 프로세스에 필요한 페이지 수가 늘어나 페이지 테이블의 크기가 커지고 페이지 폴트 발생 빈도가 증가하는 등 관리 오버헤드가 커지는 새로운 문제가 발생할 수 있다. 따라서 시스템은 내부 단편화와 관리 오버헤드 사이의 균형을 고려하여 적절한 페이지 크기를 결정한다.

압축은 외부 단편화를 해소하기 위한 방법 중 하나이다. 이 방법은 메모리나 디스크 상에 분산되어 저장된 데이터 조각들을 물리적으로 재배치하여, 사용 가능한 빈 공간들을 하나의 연속된 큰 블록으로 통합하는 과정을 말한다.

구체적으로, 메모리 관리 시스템에서 압축은 여러 프로세스에 의해 점유된 메모리 영역들을 한쪽으로 밀어 모으는 방식으로 수행된다. 예를 들어, 메모리 상에 흩어져 있는 사용 중인 데이터 블록들을 모두 낮은 주소 방향으로 이동시키면, 그 결과 높은 주소 쪽에 큰 연속된 빈 공간이 생겨난다. 이렇게 하면 새로운 프로세스를 위한 충분한 크기의 연속 메모리 할당이 가능해져 외부 단편화 문제를 일시적으로 해결할 수 있다.

그러나 압축 작업에는 상당한 오버헤드가 따른다는 단점이 있다. 모든 사용 중인 데이터를 이동시키는 과정에서 많은 CPU 시간과 자원이 소모되며, 데이터를 이동하는 동안 시스템의 다른 작업이 중단될 수 있다. 또한, 메모리에서 데이터의 물리적 주소가 변경되면 이를 참조하는 모든 포인터나 주소 정보를 갱신해야 하는 복잡한 문제가 발생한다.

이러한 높은 비용 때문에, 압축은 실시간으로 자주 수행되기보다는 시스템에 여유가 있을 때 주기적으로 실행되거나, 페이징이나 세그먼테이션과 같은 다른 메모리 관리 기법의 보조 수단으로 활용된다. 특히 파일 시스템에서의 조각 모음 도구는 디스크 단편화를 해결하기 위한 압축의 한 형태로 볼 수 있다.

페이징은 메모리 관리 기법 중 하나로, 프로세스가 사용하는 물리 메모리 주소 공간을 고정 크기의 블록인 페이지로 나누고, 프로세스의 논리 메모리 주소 공간도 동일한 크기의 페이지로 나누어 관리하는 방식이다. 이 기법은 연속 메모리 할당 방식에서 발생하는 외부 단편화 문제를 해결하기 위해 고안되었다. 각 프로세스의 페이지는 물리 메모리 내 어디에든 위치할 수 있으며, 이를 관리하기 위해 운영체제는 각 프로세스마다 페이지 테이블을 유지하여 논리 주소를 물리 주소로 변환한다.

페이징 시스템에서는 프로세스가 요구하는 전체 메모리 크기와 무관하게, 물리 메모리에 빈 페이지 프레임이 존재하기만 하면 메모리를 할당할 수 있다. 이로 인해 프로세스의 주소 공간이 물리 메모리 내 여러 개의 분산된 페이지 프레임에 저장될 수 있어, 외부 단편화가 거의 발생하지 않는다. 그러나 페이지 크기가 고정되어 있기 때문에, 프로세스가 요구하는 메모리 크기가 페이지 크기의 배수가 아닐 경우 마지막 페이지의 일부 공간이 사용되지 않고 남게 되는 내부 단편화가 발생할 수 있다.

페이징의 핵심 장점은 메모리 할당의 유연성과 외부 단편화의 제거에 있다. 또한, 가상 메모리 시스템과 결합되어 사용될 때, 프로세스의 전체 주소 공간 중 당장 필요한 부분만 물리 메모리에 올리고 나머지는 디스크의 스왑 영역에 보관하는 요구 페이징을 구현할 수 있는 기반이 된다. 이는 제한된 물리 메모리로 더 큰 가상 주소 공간을 제공하고, 여러 프로세스의 효율적인 동시 실행을 가능하게 한다.

하지만 페이징 기법은 주소 변환을 위한 페이지 테이블의 관리 오버헤드와, 페이지 테이블 접근으로 인한 메모리 참조 시간 증가라는 단점을 동반한다. 이를 보완하기 위해 TLB라는 고속 주소 변환 캐시를 사용하여 성능을 향상시킨다. 페이징은 현대 대부분의 운영체제에서 핵심적인 메모리 관리 방식으로 채택되어 있다.

세그먼테이션은 메모리 관리 기법 중 하나로, 프로세스의 논리적 구조에 맞춰 메모리를 분할하여 할당하는 방식을 말한다. 이 기법은 프로세스를 코드, 데이터, 스택 등과 같은 논리적 단위인 세그먼트로 나누고, 각 세그먼트를 메모리의 연속된 공간에 독립적으로 할당한다. 각 세그먼트는 세그먼트 테이블을 통해 관리되며, 테이블에는 세그먼트의 시작 주소(베이스)와 길이(한계) 정보가 저장되어 가상 메모리 주소를 물리적 주소로 변환하는 데 사용된다.

세그먼테이션의 주요 장점은 프로그래머의 관점에서 메모리를 자연스럽게 관리할 수 있게 해주며, 보호와 공유가 용이하다는 점이다. 서로 다른 프로세스가 동일한 코드 세그먼트를 공유하거나, 특정 세그먼트에 대해 읽기/쓰기/실행 권한을 따로 설정하는 것이 가능하다. 그러나 이 방식은 각 세그먼트가 메모리 내 연속된 공간을 필요로 하기 때문에, 세그먼트의 크기가 가변적이라는 특성상 외부 단편화가 심하게 발생할 수 있는 문제점을 안고 있다.

이러한 외부 단편화 문제를 완화하기 위해 세그먼테이션은 종종 페이징 기법과 결합된 세그먼트-페이징 혼용 기법으로 사용된다. 이 혼용 기법에서는 먼저 프로세스를 논리적 세그먼트로 나눈 후, 각 세그먼트를 다시 고정 크기의 페이지로 분할하여 물리적 메모리에 할당한다. 이를 통해 세그먼테이션의 논리적 구조 관리와 보호의 이점은 유지하면서, 페이징을 통해 외부 단편화를 제거하고 메모리 할당을 보다 효율적으로 수행할 수 있다.

메모리 관리는 운영체제의 핵심 기능 중 하나로, 컴퓨터의 주기억장치인 메모리를 효율적으로 운영하고 할당하는 일련의 과정을 의미한다. 이 관리의 주요 목표는 한정된 물리적 메모리 공간을 여러 프로세스가 효과적으로 공유할 수 있도록 하여 시스템 전체의 성능을 최적화하는 데 있다.

메모리 관리 기법은 크게 연속 메모리 할당과 불연속 메모리 할당으로 나눌 수 있다. 연속 할당 방식은 각 프로세스에 연속된 메모리 공간을 할당하는 방식으로, 프래그멘테이션 문제가 발생하기 쉽다. 특히 외부 단편화는 메모리 공간 전체적으로는 충분한 여유 공간이 있지만, 그 공간들이 작고 분산되어 있어 새로운 프로세스를 할당할 수 없는 상황을 초래한다.

이러한 단편화 문제를 해결하기 위해 등장한 불연속 메모리 할당 기법에는 페이징과 세그먼테이션이 대표적이다. 페이징은 프로세스와 물리 메모리를 고정된 크기의 블록(페이지)으로 나누어 할당함으로써 외부 단편화를 근본적으로 방지한다. 반면, 세그먼테이션은 프로세스를 논리적 단위(세그먼트)로 나누어 할당하는 방식으로, 내부 단편화는 줄일 수 있으나 외부 단편화가 여전히 발생할 수 있다.

효율적인 메모리 관리는 단편화를 최소화하고, 가상 메모리 시스템을 통해 실제 물리 메모리보다 큰 주소 공간을 제공하며, 필요한 데이터를 신속하게 CPU에 제공하는 것을 포함한다. 따라서 메모리 관리 전략은 시스템의 안정성과 응답 속도에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소이다.

조각 모음(Defragmentation)은 파일 시스템이나 메모리에서 발생하는 프래그멘테이션을 해소하여 성능을 개선하는 작업이다. 주로 하드 디스크 드라이브(HDD)와 같은 기계식 저장 장치에서 파일이 여러 물리적 조각으로 나뉘어 저장되어 접근 속도가 느려지는 문제를 해결하기 위해 수행된다. 이 과정은 흩어져 있는 파일 조각들을 물리적으로 재배치하여 가능한 한 연속적인 공간에 모으는 방식으로 이루어진다.

조각 모음은 일반적으로 운영 체제에 내장된 도구나 전용 소프트웨어를 통해 실행된다. 사용자가 조각 모음 유틸리티를 실행하면, 소프트웨어는 먼저 저장 장치를 분석하여 단편화 정도를 평가한다. 이후 파일의 내용을 변경하지 않고, 데이터 블록의 물리적 위치만을 재조정하여 파일을 연속된 섹터에 기록한다. 이로 인해 디스크 헤드의 이동 거리가 줄어들어 파일 읽기 및 쓰기 속도가 향상된다.

그러나 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)의 경우에는 조각 모음이 필요하지 않거나 오히려 해로울 수 있다. SSD는 플래시 메모리를 사용하며, 임의 접근 속도가 균일하고 웨어 레벨링(Wear Leveling)이라는 수명 관리 기술을 사용하기 때문이다. 대부분의 현대 운영 체제는 SSD를 자동으로 감지하여 조각 모음을 비활성화하거나, TRIM 명령과 같은 SSD에 최적화된 관리 기능을 제공한다.

조각 모음은 시스템 성능 유지 관리의 한 부분으로, 정기적으로 실행하면 데이터 접근 시간을 단축하고 전체적인 시스템 반응성을 개선하는 데 도움이 된다. 그러나 이 과정은 상당한 입출력(I/O) 작업을 수반하므로, 시스템 사용이 적은 시간에 수행하는 것이 바람직하다.