파편화 (Fragmentation)

파편화(Fragmentation)란?

파편화는 메모리를 할당하고 해제하는 과정에서 사용하지 못하는 공간이 군데군데 생겨나는 현상이다.
전체 메모리의 총합은 충분해 보이지만, 연속된 큰 공간이 없거나 공간이 낭비되어 새로운 메모리 할당이 실패하게 된다.

운영체제의 메모리 관리 효율성을 저해하는 주요 원인 중 하나로, 외부 파편화와 내부 파편화로 나뉜다.

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파편화의 종류

1. 외부 파편화 (External Fragmentation)

• 여러 프로세스의 할당과 해제가 반복되면서, 빈 공간이 조각조각 흩어진 상태
• 메모리 총량은 충분하지만, 요구된 크기만큼 연속된 공간이 없어 할당에 실패한다.
• 주로 가변 크기 메모리 할당 방식에서 발생한다.

2. 내부 파편화 (Internal Fragmentation)

• 프로세스에 할당된 메모리 블록이 실제 필요한 양보다 클 때 발생하는 낭비
• 예: 18KB가 필요한데 20KB 단위 블록으로만 할당된다면, 2KB는 낭비
• 주로 고정 크기 블록 할당 방식에서 발생한다.

 

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파편화 해결 방법

1. 압축 (Compaction)

• 메모리 공간을 한쪽으로 몰아 배치하여 조각을 제거하는 방식
• 외부 파편화에 유효
• 단점: 실시간 시스템에는 부적합, 성능 저하 가능

2. 동적 메모리 할당 전략 개선

• Best Fit: 가장 작은 충분한 공간에 할당 (파편화 최소화에 유리하나 탐색 비용 높음)
• First Fit: 앞에서부터 첫 번째로 맞는 공간에 할당 (속도는 빠르나 파편화 위험 존재)
• Worst Fit: 가장 큰 공간에 할당 (자잘한 공간이 남지 않도록 시도)

3. 통합 (Coalescing)

• 인접한 빈 공간들을 병합하여 더 큰 블록으로 만드는 방식
• 할당 해제 시 주기적으로 수행

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가상 메모리 기법과 파편화

페이징 (Paging)

• 메모리를 고정된 크기(page)로 나누고, 물리 주소에 연속성을 요구하지 않음
• 프로세스는 페이지 단위로 관리되며, 가상 주소와 물리 주소 간 매핑이 자유로움
• 장점:
  • 외부 파편화 없음 (필요한 페이지는 아무 위치에나 배치 가능)
• 단점:
  • 내부 파편화 발생 가능 (마지막 페이지가 완전히 채워지지 않는 경우)

세그멘테이션 (Segmentation)

• 메모리를 논리적인 단위(세그먼트)로 나누어 관리 (예: 코드, 데이터, 스택 등)
• 각 세그먼트는 가변 크기이며 독립적으로 할당됨
• 장점:
  • 내부 파편화 감소 (필요한 크기만큼만 할당)
• 단점:
  • 외부 파편화 발생 가능 (세그먼트는 연속된 공간이 필요함)