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14_Dynamic_Memory.md

File metadata and controls

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14. 메모리와 mmap

1. 동적 메모리 생성하기

  • heap 영역에 생성 - malloc 함수

malloc/free 관련 동적 메모리 생성 함수는 C 언어 과목에서 다룹니다.

메모리 조작 함수, strcmp/strcpy/memset 등도 C언어 과목에서 다룹니다.

2. 파일 처리 성능 개선 기법 - 메모리에 파일 매핑

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset
  • [start + offset] ~ [start + offset + length] 만큼의 물리 메모리 공간을 mapping 할 것을 요청
  • 보통 start : NULL 또는 0 사용, offset: mapping 되기 원하는 물리 메모리 주소로 지정
  • prot: 보호모드 설정
    • PROT_READ(읽기 가능) / PROT_WRITE(쓰기 가능) / PROT_EXEC(실행 가능) / PROT_NONE(접근 불가)
  • flags: 메모리 주소 공간 설정
    • MAP_SHARED(다른 프로세스와 공유 가능) / MAP_PRIVATE(프로세스 내에서만 사용 가능) / MAP_FIXED(지정된 주소로 공간 지정)
  • fd: device file 에 대한 file descriptor

3. mmap 동작 방식으로 이해하는 실제 메모리 동작

운영체제, 가상 메모리 이해를 기반으로 실제 활용 총정리

컴퓨터 공학 이해 없이는 mmap 동작을 이해하기 어려움

  1. mmap 실행 시, 가상 메모리 주소에 file 주소 매핑(가상 메모리 이해)
  2. 해당 메모리 접근 시 (요구 페이징, lazy allocation)
    • 페이지 폴트 인터럽트 발생
    • OS 에서 file data를 복사해서 물리 메모리 페이지에 넣어줌
  3. 메모리 read 시 : 해당 물리 페이지 데이터 읽으면 됨
  4. 메모리 write 시 : 해당 물리 페이지 데이터 수정 후 페이지 상태 flag 중 dirty bit 를 1로 수정
  5. 파일 close 시 물리 페이지 데이터가 file 에 업데이트 됨 (성능 개선)

4. 파일, 메모리 가상메모리

  • 장점
    • read(), write() 시 반복적인 파일 접근을 방지하여 성능 개선
    • mapping 된 영역은 파일 처리를 위한 lseek() 을 사용하지 않고 간단한 포인터 조작으로 탐색 가능
  • 단점
    • mmap 은 페이지 사이즈 단위로 매핑
      • 페이지 사이즈 단위의 정부새가 아닌 경우 한 페이지 정도의 공간 추가 할당 및 남은 공간을 0으로 채워주게 됨

5. 파일 처리 성능 개선 기법 - 메모리에 파일 매핑

int munmap(void *addr, size_t length)
  • *addr 에 mapping 된 물리 메모리 주소를 해제한다
  • length: mapping 된 메모리 크기 (mmap 에서 지정했던 동일 값을 넣음)
int msync(void *start, size_t length, int flags);
  • start: mmap()를 통해 리턴 받은 메모리 맵의 시작 주소
  • length: 동기화를 할 길이 시작 주소로 부터 길이를 지정하면 된다
  • flags
    • MS_ASYNC: 비동기 방식, 동기화(memory -> file) 하라는 명령만 내리고 결과에 관계 없이 다음 코드 실행(따라서, 동기화가 완료안된 상태로 다음 코드 실행 가능)
    • MS_SYNC: 동기 방식, 동기화(memory -> file)가 될때까지 블럭 상태로 대기
    • MS_INVALIDATE: 현재 메모리 맵을 무효화 하고 파일의 데이터로 갱신 즉 File -> Memory

5. inode 파일 시스템

  1. inode 메타 데이터 - stat 함수
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int stat (const char *path, struct stat * buf);
int fstat(int filedes. struct stat *buf);

fopen/read/write 등 기본 파일 시스템콜은 C 언어 과목에서 다룸

  1. inode 메타 데이터 - stat 구조체
struct stat {
    dev_t       st_dev;     /* ID of device containing file */
    ino_t       st_ino;     /* inode number */
    mode_t      st_mode;    /* 파일 종류 및 접근 권한 */
    nlink_t     st_nlink;   /* hardlink 된 횟수 */
    uid_t       st_uid;     /* 파일 소유자 */
    gid_t       st_gid;     /* group Id of owner */
    dev_t       st_rdev;    /* device ID (if special file) */
    off_t       st_size;    /* 파일 크기(bytes) */
    blksize_t   st_blksize; /* blocksize for file system I/O */
    tlkcnt_t    st_blocks;  /* number of 512B block allocated */
    time_t      st_atime;   /* time of last access */
    time_t      st_mtime;   /* time of last modification */
    time_t      st_ctime;   /* time of last status change */
}
  1. Standard Stream(표준 입출력) 과 파일 시스템콜
  • command 로 실행되는 프로세스는 세가지 스트림을 가지고 있음
    • 표준 입력 스트림 (Standard Input Stream) - stdin
    • 표준 출력 스트림 (Standard Output Stream) - stdout
    • 오류 출력 스트림 (Standard Error Stream) - stderr
  • 모든 스트림은 일반적인 plain text 로 console 에 출력하도록 되어 있음