'메인 메모리'에 해당되는 글 2건

  1. 2010.03.24 메모리 계층(Memory Hierarchy)
  2. 2010.03.11 라이브러리(Library)

메모리 종류 :

1. 메인(Main) 메모리 : 램(RAM) (D램)

2. 레지스터(Register) : CPU 안에 내장되어 있어서 연산을 위한 저장소 제공

3. 캐쉬(Cache) : S램.  CPU와 램사이에서 중간 저장소 역할

4. 하드디스크(Hard Disk)와 이외 장치 : 하드 디스크, I/O 장치 등등



메모리 계층 구조(Memory Hierarchy) :


메모리들은 프로그램이 실행하는 동안 데이터의 입력 및 출력을 담당한다.

메모리들의 차이는 CPU 와의 거리에서 온다.

CPU와의 거리가 가까울수록 빠르고 용량이 작으며 멀수록 느리고 용량이 크다.(기술과 돈의 문제)

하드디스크에 있는 내용은 프로그램의 실행을 위해 메인 메모리로 이동한다.

메인 메모리에 있는 일부 데이터도 실행을 위해 L2 캐시로 이동한다.

L2 캐시에 있는 데이터 일부는 L1 캐시로 이동한다.

L1 캐시에 있는 데이터중 연산에 필요한 데이터는 레지스터로 이동한다.


반대로 연산에 필요한 데이터가 레지스터에 없으면 L1 캐시를 살펴본다. 없으면 L2캐시 없으면 메인 메모리,

그래도 없으면 하드디스크를 참조한다. 하드디스크에서 데이터를 찾은 후 다시 메인 메모리 L2 캐쉬 L1 캐시를 거쳐

레지스터로 데이터가 들어오게 되는데 이경우 극심한 속도저하가 발생한다.

(참고 :

캐시를 없애 중간단계를 줄이는 것이 속도가 빠르지 않냐 생각할수 있는데
L1 캐시와 L2 캐시에, 연산에 필요한 데이터가 존재할 확률이 90% 이상이다.따라서 캐시는 속도향상에 도움을 준다)



L1 캐시와 L2 캐시 :

시스템의 성능을 좌우하는 클럭속도는 느린쪽에 맞춰진다.

CPU는 고속화되었지만 메인 메모리의 처리속도는 이를 따라가지 못한다.

CPU가 연산을 하기 위해선 데이터를 가지고 와서 연산을 한 후 연산결과를 메모리에 저장한 후에

다음작업을 수행할 수 있다.

따라서 아무리 CPU가 빠르게 연산을 수행한다 하더라도 데이터를 가지오고 저장하는 작업이 느리다면

전체적인 처리속도는 결코 빠를수 없다.

L1캐시는 이러한 레지스터와 메인 메모리간의 속도차이에 의한 성능저하를 막기 위해

메인 메모리의 저장된 데이터 중 자주 접근하는 데이터를 저장한다.

L1 캐시는 CPU 내부에 존재하므로 L1 캐시에서 데이터를 참조할 경우 속도저하는 발생하지 않는다.

하지만 여전히 L1 캐시는 메인 메모리의 모든 데이터를 저장할 수 없기에 L1 캐시에 없는 데이터를

CPU가 요구할 경우 속도의 저하로 이어진다.

따라서 캐시를 하나 더둔다.(L1 캐시에 용량을 증가시키는데ㄷ에도 한계가 있다(돈과 기술))

L2 캐시까지 존재함으로써 메인 메모리에 대한 접근은 더욱 줄어든다.

따라서 병목현상은 L1캐시와 메인 메모리에서 L2 캐시와 메인 메모리로 발생지역이 옮겨지게 된다.



캐쉬(Cache)와 캐쉬 알고리즘 :

템퍼럴 로컬리티(Temporal Locality) : 한번 접근이 이뤄진 주소의 메모리 영역은 자주 접근한다.

스페이셜 로컬리티(Spatial Locality) : 접근하는 메모리 영역은 이미 접근이 이루어진 영역의 근처일 확률이 높다.

캐시 프렌드리 코드(Cache Friendly Code) : 템퍼럴 로컬리티와 스페이셜 로컬리티를 최대한 활용하여
                                                             캐시의 도움을 받을수 있도록 구현한 코드



캐시 알고리즘 :


캐시 힛(Cache Hit) : 연산에 필요한 데이터가 L1 캐시에 존재할 경우


캐시 미스(Cache Miss) : 연산에 필요한 데이터가 L1 캐시에 존재 하지 않을 경우
(참고 : 이경우 L2 캐시를 검사하며 L2 캐시 미스가 발생하면 메인 메모리에서 데이터를 가져온다)


데이터의 이동은 블록 단위로 진행하여 스페이셜 로컬리티의 특성을 성능향상에 활용한다.
(예 : 0x10000 번지의 데이터를 요청하면 0x10000을 포함한 블록 전체가 전송된다)

(참고 : 현재 L2 캐시는 CPU 내부에 존재한다)

메모리 계층 아래로 갈수록 전송되는 블록 크기가 커진다.

아래에 존재하는 메모리에 대한 접근 횟수를 줄여준다.


캐시 교체 정책(Cache's Replacement Policy) :

프로그램이 실행된느 동안 모든 메모리는 항상 채워져 있다.

메모리가 꽉 채워져 있어요 요구하는 데이터를 가지고 있을 확률이 높아지기 때문이다.

이때문에 가지고 있지 않은 데이터를 요구할 경우 메모리가 꽉 찾기 때문에 메모리 블록을 교체해야 한다.

블록 교체 알고리즘은 캐시 교체 정책에 의해 달라진다.
(참고 :

대표적 블록 교체 알고리즘 :
LRU(Least-Recently Used) : 가장 오래 전에 참조된 블록을 밀어내는 알고리즘)

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Posted by Dakuo

라이브러리(Library) : 여러 프로그램에서 자주 사용하는 함수와 데이터들을
                              실행이 가능한 바이너리 형태로 묶어놓은 파일을 의미한다.
(참고 : 즉, 함수와 데이터들의 정의가 컴파일된 바이너리 코드로 라이브러리에 존재한다)

(ex.

 C Run - Time Library  Characteristics
 Libcmt.lib  Multithreaded, static link
 Libcmtd.lib  Multithreaded, static link (debug)
 Msvcrt.lib  Multithreaded, dynamic link
 Msvcrtd.lib  Multithreaded, dynamic link (debug)
---d.lib : 디버그 모드로 컴파일)



Static Library : 정적 라이브러리

개념 :

헤더파일(.h)           ->
                                               ->               라이브러리 파일(.lib)
소스파일(.cpp)       ->     (Compile(컴파일))
                                                                                                    ->          실행파일(.exe)
헤더파일(.h)           ->                                                              (Link(링크))
                                               ->               오브젝트 파일(.obj)
소스파일(.cpp)       ->     (Compile(컴파일))


위와 같이 .lib 파일과 .obj 파일을 합쳐 .exe 실행파일을 만든다.

즉, 라이브러리 파일이 실행파일 안에 포함된다.


정적 라이브러리의 메모리 사용 :

                                   AAA.exe 가상 메모리                      <-정적 라이브러리 영역->
                                  BBB.exe 가상 메모리                      <-정적 라이브러리 영역->
 
동일한 정적 라이브러리를 포함하는 두 개의 프로세스 AAA와 BBB가 있다.

AAA가 실행을 하다가 멈추고 BBB를 실행할 때 메인 메모리에 BBB의 페이지가 올라가게 된다.

페이지 2,3,5 는 BBB의 2,3,5로 교체되며 정적 라이브러리 영역 8,9도 BBB의 페이지로 교체된다.

따라서 메인 메모리의 전체 AAA 프로세스 페이지가 모두 BBB 프로세스 페이지로 바뀐다.

(추가 : 직접 제작한 라이브러리 연동하기
#pragma comment(lib, "포함할 라이브러리 이름") 를 소스코드에 추가한다
라이브러리 파일은 표준 검색 경로를 통해 찾는다)



Dynamic Link Library : 동적 라이브러리

개념 :

실행파일의 일부로 포함되지 않고 독립적으로 저장되는 라이브러리.

DLL을 사용하고자 하는 프로세스는 자신의 가상 메모리 주소에 DLL을 매핑(Mapping)시키고 DLL을 사용한다.


동적 라이브러리의 메모리 사용 :

                                   AAA.exe 가상 메모리
                                    BBB.exe 가상 메모리

DLL 기반의 두개의 프로세스 AAA와 BBB 가 있다.

AAA가 실행을 하다가 멈추고 BBB를 실행할 때 메인 메모리에 BBB의 페이지가 올라가게 된다.

2,3,5 페이지가 BBB의 2,3,5 페이지로 변경된다.

이때 뒤에 8, 9 페이지는 AAA가 사용하던 페이지 그대로 존재한다.

즉, 별도의 파일로 존재하는 DLL을 AAA와 BBB가 공유하게 된다.
(참고 : 둘 이상의 프로세스가 동일한 DLL을 공유할 경우, 메인 메모리에 페이지 단위로 공유가 이뤄진다)

만약에 페이지 8, 9가 아닌, 동일한 DLL의 다른 페이지를 프로세스 BBB가 필요로 한다면 메인 메모리에

로드되있지 않으므로 새로 로드하게 된다.


DLL의 연결 방법 :

1. 암묵적 연결(Implicit Linking) :

__declspec(dllimport) : DLL로부터 제공받을(Import) 함수를 선언할 때 사용한다.

__declspec(dllexport) : 외부에 제공할(Export) 함수를 선언할 때 사용한다.

(참고 : __declspec 는 외부에 제공할 or 제공받을 함수 및 변수 선언에 사용한다.
마이크로소프트에서 제공하는 추가석인 선언문이다)

.lib 파일과 .dll 파일의 용도 :

AAAdll.cpp              ->               AAAdll.obj   
                 (Compile(컴파일))                                ->             AAAdll.exe       < --- >        AAAdll.dll
                                                AAAdll.lib     (Link(링크))                           실행중에 참조

DLL을 생성하는 과정에서 만들어진 .lib 파일은 DLL이 제공하고자 하는 함수 정보(변수나 이름정보)를 지닌다.

즉,   .lib 파일은 링커에게 AAAdll.obj에서 호출하는 함수는 AAAdll.dll 파일에 정의되어 있다고 알려준다.

.lib 파일은 링크시 필요하고 .dll 파일은 실행할 때 필요하다.

(참고 :

정적 라이브러리를 만들때와 마찬가지로 .lib 파일을 연동해야 한다.
#pragma comment(lib, "포함할 라이브러리")를 사용한다. 라이브러리 파일은 표준 검색 경로를 통해 찾는다

네임맹글링 : C++ 컴파일러는 컴파일 과정에서 네임 맹글링(Name Mangling : 이름을 엉망으로 만든다)작업을 한다.

정의된 함수 이름을 정해진 규칙에 의해 바꿔버린다. 따라서 C++ 컴파일러로 컴파일된 DLL을 C 프로그램에서

참조한다면 에러가 발생한다.(컴파일러 회사에 따라서도 네임 맹글링 규칙이 다르다)

따라서 C++ 컴파일러가 네임 맹글링을 하지 못하도록 extern "C" 키워드를 함수 선언부에 붙여준다)


2. 명시적 연결(Explicit Linking) :

소스코드 내에 DLL 연결에 대한 코드가 존재하므로 .lib 파일이 필요가 없다.

DLL                                                                      

           void DLLFunc(int val) 
        |                                 ▲ 
        |                           FreeLibrary              
        |                                 | 
LoadLibrary                          |                    
       ▼                                 |                                                                                  프로세스 가상 메모리

           void DLLFunc(int val)              

                       |
             GetProcAddress
                       |
                       ▼ 
      DLLFunc 함수 포인터 획득


HMODULE LoadLibrary(LPCTSTR lpFileName        // 프로세스 주소 공간으로 매핑시킬 DLL 이름을 지정
);

FARPROC GetProcAddress(
           HMODULE hMoudle;           사용하고자 하는 함수나 변수가 속해 있는 DLL 모듈의 핸들           
           LPCSTR lpProcName          찾고자 하는 함수의 이름을 지정
);      lpProcName 에서 지정한 함수의 함수포인터를 반환

BOOL FreeeLibrary(HMOUDLE hMoudle                 // 반환하고자 하는 DLL 모듈의 핸들
);

(참고 : 프로세스는 내부적으로 DLL의 레퍼런스 카운트(참조 횟수 : Reference Count)를 계산한다.
LoadLibrary 함수 호출 시 지정된 DLL의 레퍼런스 카운트는 1씩 증가하고, FreeLibrary 함수 호출 시
지정된 DLL의 레퍼런스 카운트는 1씩 감소한다. 레퍼런스 카운트가 0이 되면 프로세스의 가상 메모리에서 해제된다)

DLL 명시적 연결방법의 장점 :

1) DLL이 필요한 시점에서 로딩되고, 불필요해지면 반환하기 때문에 메모리가 절약된다.

2) 프로그램 실행 중에 DLL 교체 및 선택이 가능하다.

3) 필요한 순간에 하나씩 DLL을 로딩할 수 있기 때문에 실행까지 걸리는 시간이 짧고,
    DLL 로딩에 걸리는 시간을 분산한다.

(참고 : 암묵적 연결 vs 명시적 연결

명시적 연결에 성능의 장점에도 불구하고 코드의 간결성 때문에 암묵적 연결방법을 더 선호한다)


(추가 : DLL과 메모리

DLL은 물리 메모리에 한번 올라가면, 이 DLL을 참조하는 프로세스가 모두 종료될 때까지 물리 메모리에 존재한다.

(예 :

1. 프로세스 AAA가 실행된다. 이 프로세스는 AAA.dll 을 참조한다.

   따라서 AAA.dll 은 프로세스 AAA에 가상 메모리에 매핑되면서 물리 메모리에 올라간다.

2. AAA.dll 을 참조하는 프로세스 BBB가 실행된다.
 
    AAA.dll 을 프로세스 BBB에 매핑하지만 물리 메모리에는 이미 존재하므로 로드하지 않는다.

3. 프로세스 AAA가 종료되었지만 프로세스 BBB가 AAA.dll 을 참조므로 AAA.dll 은 메모리에 남아있다.

4. 프로세스 BBB가 종료되었다. AAA.dll 을 참조하는 프로세스가 하나도 없으므로 메모리에서 반환된다)

(참고 : 처음 DLL이 빌드될 때 DLL이 할당되어야 할 가상 메모리 주소가 링커(Linker)에 의해 결정도니다.

만약에 AAA.dll을 0x10000000 에 매핑하기로 했다면, 모든 프로세스에서 0x10000000 에 매핑한다.

만약에 이주소에 다른 dll이 매핑되있다면 다른 가상 메모리 주소에 매핑되며

이때는 다른 프로세스에 의해 해당 dll이 이미 메인 메모리에 로드되었더라도 또 로드되게 된다))

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