메모리

주 기억 장치(primary storage), 일명 컴퓨터 메모리(memory)는 시스템에서 즉각적으로 사용할 데이터를 저장하는 하드웨어로 RAM이 대표적인 예시이다. 데이터를 저장하는 또 다른 하드웨어로 HDD 및 SSD, CD 또는 DVD, 플래시 메모리와 같은 보조 기억 장치(secondaty storage)가 존재하나, 이 둘은 확연한 차이점을 지닌다.

메모리의 빠른 동작속도와 물리적으로 가까운 점은 CPU가 순식간에 계산을 할 수 있도록 보조하기에 적합한 단기기억 역할을 담당한다. 하드웨어는 지속적으로 발전하고 있으나, 일반적으로 메모리와 디스크는 대략 100,000 배의 속도 차이를 갖는다. 그러므로 시스템의 성능을 논할 때는 CPU 외에 메모리도 함께 중요한 요소로 작용한다.

본문을 진행하기 전에 가상 주소 공간 및 하위 내용을 우선 참고하는 것을 권유하며, 메모리의 이해를 돕기 위해 아래의 작업 관리자를 예시로 사용하여 설명한다.

설치된 48 GB의 RAM 중에서 본 시스템은 47.9 GB를 활용하여, 8.6 GB가 사용 중(in use)이고 나머지 39.0 GB는 아직 사용 가능(available)하다. 괄호 안에 있는 38.4 MB는 사용 중인 RAM 내에서 압축된 메모리 크기를 가리키는데, 예를 들어 본래 100 MB 데이터를 61.6 MB만큼 절약한 것이다.

페이징 파일

페이징 파일(paging file)은 가상 주소 공간의 페이지를 물리 메모리가 아닌 HDD 혹은 SSD와 같은 드라이브에서 물리 메모리의 작업량 일부를 페이징(paging) 기법으로 전담받아 원활한 시스템 성능을 유지하는데 기여하는 pagefile.sys 파일이다. 다음은 페이징 기법에 대한 간략한 설명이다.

커밋된 메모리 중 드라이브에서 찾아볼 수 없는 데이터는 또한 흔히 페이징 파일에서 처리된다(예. 저장되지 않은 메모장 텍스트). 이와 반대로 notepad.exe 프로그램 이미지 혹은 저장된 .txt 파일 등과 같이 드라이브에 찾을 수 있는 데이터는 물리 메모리에서 불러온다.

페이징 파일 크기는 고급 시스템 설정(Advanced System Setting; 혹은 systempropertiesadvnaced.exe)의 가상 메모리에서 각 드라이브마다 지정할 수 있다.

성능(Performance) 그룹에서 설정 버튼을 클릭하면 “성능 옵션(Performance Options)” 창이 나타나는데, 고급(Advanced) 탭으로 이동하면 가상 매모리 설정을 찾을 수 있다.

기본적으로 시스템은 “모든 드라이브에 대한 페이징 파일 크기 자동 관리(Automatically manage paging file size for all drives)”로 설정되어 있다. 이는 OS 드라이브만 크기가 자동 조정되는 페이징 파일을 가지며, 나머지 드라이브에는 페이징 파일이 없는 것과 마찬가지이다. 각 드라이브마다 페이징 파일의 크기는 아래 세 가지 선택지로부터 지정된다.

• 사용자 지정 크기 (Custom size)

  사용자가 직접 페이징 파일의 처음 크기(Initial size) 및 확장될 수 있는 최대 크기(Maximum size)를 메가바이트 단위로 지정한다 (참고: 1 GB = 1024 MB).

• 시스템이 관리하는 크기 (System manged size)

  커밋된 메모리 사용률이 90%에 도달하면 시스템은 자동으로 페이징 파일을 물리 메모리의 3배(최대 16 GB)까지 확장한다. 예를 들어, 총 RAM 용량이 4 GB와 8 GB인 시스템은 각각 페이징 파일이 12 GB와 16 GB까지 늘어날 수 있다. 그러나 페이징 파일이 확장될 수 있는 크기는 해당 드라이브 용량의 1/8로 제한된다.

• 페이징 파일 없음 (No paging file)

  페이징 파일을 사용하지 않는다.

지정된 크기만큼의 드라이브 용량을 페이징 파일로 사용되기 때문에 저장공간이 줄어든다는 단점이 있다. 그러나 물리 메모리 및 드라이브의 용량이 대폭 확장되고 운영체제가 64비트 페이징 파일의 역할이 퇴색되었으며, 현재는 블루스크린이 발생되었을 시 덤프 수집 목적으로 활용된다.

커밋된 메모리

커밋된 메모리(committed memory)는 시스템 메모리에서 사용 중으로 인식된 페이지이다. 프로세스의 사용자 공간에 커밋된 메모리는 두 유형으로 나뉘어진다.

시스템 관점에서 바라본 커밋된 메모리, 즉 커밋 총량(commit charge)은 모든 프로세스의 사용자 공간 및 커널로부터 커밋된 페이지의 합계이다. 커밋 총량이 도달할 수 있는 최대 크기인 커밋 한도(commit limit)는 페이지가 상주할 수 있는 “RAM + 페이징 파일“로 계산된다. 커밋 총량이 한도에 도달할 시, 시스템은 여유 메모리가 생길 때까지 기다려야 하는 응답 없음(hang) 상태에 빠진다.

작업 관리자 예시에서 커밋 총량과 한도가 각각 12.5 GB 및 54.9 GB로 측정되었다. 페이징 파일을 계산하면 총 7.0 GB(= 54.9 - 47.9) 중에서 3.9 GB(= 12.5 - 8.6)가 사용되고 있다.

가상 메모리

가상 메모리(virtual memory)는 프로세스의 사용자 공간에 할당된 “커밋된 페이지 + 예약된 페이지”이다. 시스템 아키텍처 및 운영체제에 따라 각 프로세스는 가상 주소 공간에 할당할 수 있는 최대 크기가 정해져 있는데, 이를 초과하면 오류 코드 0xC000012D와 함께 프로세스가 충돌하여 종료된다. 그러므로 단일 프로세스에 페이지를 얼마나 더 할당할 수 있는지 가상 메모리를 통해 알아볼 수 있다.

허나, 가상 메모리는 시스템 성능을 확인하는데 실질적으로 유용한 척도가 아니다:

1. 예약된 페이지는 시스템 메모리와 아무런 상관이 없으므로, 시스템 관점에서는 무의미한 정보이다.
2. 64비트 아키텍처부터 프로세스의 사용자 공간은 최대 128 TB라는 엄청난 크기로 확장하여, 메모리 누수가 일어나지 않는 한 용량이 부족할 일이 거의 없다.

가상 메모리에 대한 정보는 작업 관리자에서도 찾아볼 수 없으며, 그 대신 성능 모니터 혹은 Sysinternals의 VMMap 유틸리티 프로그램 등으로 확인할 수 있다.

워킹 세트

워킹 세트(working set)는 프로세스의 사용자 및 커널 공간을 불문하고 가상 주소 공간 전체에 커밋된 메모리(= 개인 메모리 + 공유 메모리) 중에서 오로지 RAM에만 상주하고 있는 페이지를 가리킨다.

작업 관리자에서 사용 중(in use)인 RAM 크기에 대응하지만, \Process(_Total)\Working Set 카운터는 공유 메모리가 중복 계산되어 더 크게 측정된 점을 유의하도록 한다.

운영체제는 건전한 시스템 상태를 유지하기 위해, 워킹 세트가 특정 크기에 도달하면 오랜 기간동안 사용되지 않은 메모리를 페이징 아웃시키는 트리밍(trimming) 작업을 진행한다. 메모리 관리자는 프로세스 혹은 스레드에 주어진 메모리 우선순위에 따라 낮은 순위부터 트리밍한다. 트리밍은 실행 중인 모든 프로세스에 거쳐 처리되는데, 이는 권한이 매우 높은 작업으로 트리밍이 전부 끝날 때까지 기다려야 한다.

페이지 부재

페이지 부재(page fault)는 프로세스의 페이지를 접근하려 하나 워킹 세트에 존재하지 않는 경우를 가리키며, 운영체제가 메모리를 관리하는 과정에서 일어나는 매우 자연스러운 현상이다. 페이지 부재는 하드웨어적 그리고 소프트웨어적 페이지 부재로 나뉘어진다.

하드 페이지 부재는 페이징 작업이 필요한 반면, 소프트 페이지 부재는 물리 메모리 내에서 처리되기 때문에 상대적으로 훨씬 빨리 해결될 수 있다.

사용 가능한 메모리

RAM 중에서 사용 중인 영역이 있으면 이와 반대로 사용 가능한 메모리(available memory) 영역도 존재한다. 사용 가능한 메모리는 작업 관리자에 표시된 메모리 구성(memory composition), 리소스 모니터, 혹은 Sysinternals의 RAMMap 유틸리티 프로그램 등으로 확인할 수 있다.

커밋 총량에 비해 사용 가능한 메모리가 다소 여유로울 수 있는데, 비록 페이지가 커밋되었다 하여도 곧바로 물리 메모리를 할당받는 게 아니기 때문이다. 본 부문에서는 페이지 리스트(page list)란 용어가 자주 언급되는 데, 이는 RAM에 상주하는 페이지들의 묶음을 가리킨다.

결론부터 말하자면, 사용 가능한 메모리는 “여유 메모리 (free memory) + 대기 페이지 리스트 (standby page list)”로 계산된다.

여유 메모리

필요로 하는 프로세스의 워킹 세트로 메모리를 제공할 수 있는 페이지 리스트들을 지칭한다.

캐시 메모리

워킹 세트의 트리밍 과정에서 처리되는 RAM 페이지들을 임시로 모아둔 페이지 리스트들을 지칭한다. RAM이 디스크의 캐시 역할을 하므로써, 페이지 부재를 메이저에서 마이너로 대체하여 디스크 입출력 작업을 완화하는 효과를 가져온다. 캐시 메모리를 이해하기 위해서 디스크에 데이터가 존재하는지 여부에 따라 RAM 혹은 페이징 파일 중 어디서 처리되는지 특성을 파악하고 있어야 한다.

메모리 풀

윈도우 NT에서 메모리 풀(memory pools)은 커널 혹은 드라이버가 시스템 공간에 할당하는 힙 유형의 메모리를 가리키며 페이징 풀(paged pool)과 비페이징 풀(nonpaged pool)로 나뉘어진다.

컴퓨터 과학에서 언급하는 “메모리 풀“과 동일한 개념으로 페이징 및 비페이징 풀로부터 할당받을 수 있는 총 커널 메모리 크기는 한정되어 있다. 운영체제와 아키텍처에 따라 한정된 용량은 상이하는 데, 64비트 NT 10 (윈도우 10 & 11, 서버 2016 등) 경우에는 각각 16 TB 그리고 RAM과 동일하거나 혹은 16 GB 중에서 가장 작은 크기로 선정된다.

메모리 풀의 용량 한도를 확인할 수 있는 도구로 Sysinternals의 프로세스 탐색기(Process Explorer) 유틸리티 프로그램을 사용할 수 있다.

페이징 혹은 비페이징 풀 메모리는 ExAllocatePoolWithTag 루틴으로부터 할당되는 데, 이들은 공통적으로 4바이트 크기의 태그가 반드시 지정되어야 한다.

같이 보기

• Pushing the Limits of Windows: Physical Memory
• Pushing the Limits of Windows: Paged and Nonpaged Pool