메모리

메모리 계층

레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있다.

츨처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/메모리_계층_구조

• 레지스터 : CPU 안에 있는 작은 메모리. 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적음.
• 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량 적음.
• 주기억장치 : RAM을 가리킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량 보통.
• 보조기억장치 : HDD, SDD를 일컬으며 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 많음.

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다.

계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지고 속도가 빨라지며 용량은 작아진다.

 

캐시

데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리이다.

이를 통해 데이터 접근 시간을 줄이고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.

실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 커서 그 사이에 레지스터 계층을 두어 속도 차이를 해결한다.

이렇게 계층과 계층 사이에서 속도 차이를 해결하는 계층을 캐싱 계층이라고 한다.

예를 들어 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있다.

 

지역성

캐시 계층을 두는 것 말고 직접 설정할 때는 자주 사용하는 데이터 기반으로 설정해야 한다.

자주 사용하는 데이터에 대한 근거는 바로 지역성이다.

let arr = Array.from({length : 10}, () => 0);
console.log(arr)

for (let i = 0; i < 10; i+= 1) {
  arr[i] = i;
}

console.log(arr)

/* 출력
[
  0, 0, 0, 0, 0,
  0, 0, 0, 0, 0
]
[
  0, 1, 2, 3, 4,
  5, 6, 7, 8, 9
]
*/

• 시간 지역성 (temporal locality)
  최근에 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 말한다.
  예를 들어 for문으로 이루어진 코드 안의 변수 i에서 계속 접근이 이루어지는데 여기서 데이터는 변수 i이고 최근에 사용했기 때문에 계속 접근해서 +1을 연이어 함을 알 수 있다.
• 공간 지역성 (spatial locality)
  최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하려는 특성을 말한다.
  공간을 나타내는 배열 arr의 각 요소들에 i가 할당되며 해당 배열에 연속적으로 접근함을 알 수 있다.
  
  

 

캐시히트와 캐시미스

캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트라고 하며, 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 한다.
캐시히트의 경우 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르지만 캐시미스는 메모리에서 가져오게 되는데 시스템 버스 기반으로 작동하기 때문에 느리다.

 

캐시매핑

캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며 CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다.

레지스터는 주 메모리에 비해 작고 주 메모리는 크기 때문에 레지스터가 캐시 계층으로써의 역할을 잘 해주려면 이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요하다.

• 직접 매핑(directed mapping) : 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 1:1~10, 2:1~20 이런 식으로 매핑하는 것을 말한다.
  처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦다.
• 연관 매핑(associative mapping) : 순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느리다.
• 집합 연관 매핑(set associative mapping) : 직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것. 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색이 효율적이다. 예를 들어 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 캐시 1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것을 말한다.

 

웹 브라우저의 캐시

소프트웨어적인 대표적인 캐시로는 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있다. 보통 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰인다.

• 쿠키
  만료기한이 있는 키-값 저장소. same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청 했을 때 자동 전송되며, 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있다. 쿠키를 설정할 때는 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요하며, 클라이언트 또는 서버에서 만료기한 등을 정할 수 있는데 보통 서버에서 정한다.
• 로컬 스토리지
  만료기한이 없는 키-값 저장소. 10MB까지 저장할 수 있고 웹 브라우저를 닫아도 유지되며 도메인 단위로 저장, 생성된다. HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없고 클라이언트에서만 수정 가능하다.
• 세션 스토리지
  만료기한이 없는 키-값 저장소. 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다. 5MB까지 저장할 수 있고 HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없고 클라이언트에서만 수정 가능하다.

 

데이터베이스의 캐싱 계층

데이터베이스를 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터베이스 계층을 '캐싱 계층'으로 둬서 성능을 향상시키기도 한다.

 

 

References

• https://ko.wikipedia.org/wiki/메모리_계층_구조
• http://www.yes24.com/Product/Goods/108887922