Supreme Note

단편화

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단편화 (Fragmentation)

I. 메모리 자원 낭비의 주범, 단편화의 개요

구분내용
정의주기억장치에 프로세스를 할당하고 반납하는 과정에서, 가용 공간이 잘게 분할되어 총 여유 공간은 충분하나 프로세스 할당이 불가능한 현상
특징• 메모리 활용률 저하: 낭비되는 메모리 슬롯 증가로 실질 가용 자원 축소
• 시스템 성능 병목 유발: 잦은 메모리 할당 실패 및 스와핑/페이지 폴트 증가
• 할당 알고리즘 효율성 영향: 적합(Fit) 알고리즘 탐색 오버헤드 가중

II. 단편화의 유형 및 해결을 위한 기법

가. 단편화의 유형 및 해결 기법 개념도

flowchart TB
     2. 외부 단편화
    subgraph G2["2. 외부 단편화 (External Fragmentation)"]
        direction TB
        subgraph B2["메모리 상태"]
            direction LR
            U2_1["사용 중 (5MB)"] --- H2_1["빈 공간 (1MB)"] --- U2_2["사용 중 (4MB)"]
        end
        N2["⚠️ 총 여유 공간은 충분하나<br/>연속 공간 부족으로 할당 불가"]
        B2 -.-> N2
    end

     4. 집약
    subgraph G4["4. 집약 (Compaction)"]
        direction TB
        subgraph B4_Pre["집약 전"]
            direction LR
            P4_A1["A"] --- H4_1["빈 공간"] --- P4_B1["B"] --- H4_2["빈 공간"]
        end
        subgraph B4_Post["집약 후"]
            direction LR
            P4_A2["A"] --- P4_B2["B"] --- H4_Merged["큰 연속 빈 공간"]
        end
        B4_Pre -->|"메모리 이동 및 재배치"| B4_Post
    end

    %% 스타일 정의
    style W1 fill:#ffcccc,stroke:#ff6666,stroke-width:2px
    style H2_1 fill:#ffcccc,stroke:#ff6666,stroke-width:2px
    style H3_Merged fill:#e6f3ff,stroke:#3399ff,stroke-width:2px
    style H4_Merged fill:#e6f3ff,stroke:#3399ff,stroke-width:2px
    style N2 fill:#fff3cd,stroke:#ffeeba,stroke-dasharray: 5 5

flowchart TD
    subgraph Fragmentation["단편화 유형"]
        direction TB
        F1["내부 단편화 (Internal)<br>- 고정 분할 내 잔여 공간 낭비"]
        F2["외부 단편화 (External)<br>- 가변 분할 간 연속 공간 부족"]
    end

    subgraph Solutions["해결 기법 계층"]
        direction TB
        S1["소프트웨어적 기법<br>• 통합 (Coalescing)<br>• 집약 (Compaction)"]
        S2["아키텍처적 기법<br>• Paging (외부 단편화 해결)<br>• Segmentation (내부 단편화 해결)"]
        S3["커널/OS 레벨 기법<br>• Buddy System (2^n 크기 분할)<br>• Slab Allocator (캐시 기반 메모리 할당)"]
    end

    Fragmentation ==> Solutions

구조적 접근: 고정 분할 및 가변 분할 할당 아키텍처에 따른 맞춤형 완화 메커니즘 적용

나. 단편화 해결을 위한 핵심 기술 및 기법

분류기술명설명 및 특징
유형별 특성내부 단편화고정 분할(Fixed Partition) 방식에서 할당 크기가 프로세스 요구량보다 커서 발생
유형별 특성외부 단편화가변 분할(Dynamic Partition) 방식에서 해제된 잔여 세그먼트가 작아 새 작업 수용 불가
소프트웨어적 해결통합 (Coalescing)인접한 빈 가용 블록(Free Block)들을 하나의 연속된 공간으로 합침
소프트웨어적 해결집약 (Compaction)메모리 내 분산된 프로세스들을 한쪽으로 몰아 하나의 큰 연속 가용 공간 형성
아키텍처적 해결Paging고정 크기 페이지 단위 매핑을 통해 외부 단편화 해결 (일부 내부 단편화 잔존 가능)
아키텍처적 해결Segmentation가변 크기 논리 단위 분할을 통해 내부 단편화 해결 (외부 단편화 발생 가능)
커널 레벨 해결Buddy System메모리를 단위 블록으로 분할·병합하여 연속 메모리 할당 및 외부 단편화 완화
커널 레벨 해결Slab Allocator커널 객체 크기별 프리 할당 캐시를 활용하여 내부 단편화 극소화

동향: CXL(Compute Express Link) 메모리 풀링 및 동적 오케스트레이션을 통한 거대 단편화 한계 극복

III. 단편화 유형별 상세 비교 및 최신 동향

가. 내부 단편화 vs 외부 단편화 비교

항목내부 단편화 (Internal)외부 단편화 (External)
발생 방식고정 분할 (Fixed Partition) / Paging가변 분할 (Dynamic Partition) / Segmentation
낭비 지점할당된 블록 내부의 잔여 공간할당된 블록 사이 외부의 유휴 공간
근본 해결Segmentation, 가변 크기 할당Paging, 가상 메모리 기법
관리/해결 기법Slab Allocator, 미세 단위 분할통합(Coalescing), 집약(Compaction)

나. 메모리 관리 최신 동향

  • CXL 메모리 풀링 (Compute Express Link): 이기종 호스트 간 메모리 공유 풀(Pool)을 형성하여 유휴 메모리 단편화 해소 및 활용률 극대화
  • Huge Page 최적화 (THP / 2MB·1GB): 대용량 워크로드(AI/LLM, DB)에 맞춰 TLB 미스를 줄이고 메모리 할당 효율성을 높이는 대형 페이지 튜닝