오늘의 CS(메모리 - 메모리 계층)

메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있습니다.

 

메모리 계층

• 레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적다.
• 캐시: L1, L2 캐시를 지칭한다.  휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적다. 참고로 L3 캐시도 있다.
• 주기억장치: RAM을 가리킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통이다.
• 보조기억장치: HDD, SDD를 일컬으며 뷔히발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많습니다. 참고로 SDD는 사이즈가 작아서 주로 노트북 탑재, HDD는 컴퓨터 기기에 탑재한다. 

 

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다. 계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라지는 특징이 있다. 이러한 계층이 있는 이유는 경제성과 캐시 때문이다. 예를 들어 16GB RAM은 8만 원이면 산다. 하지만 16GB SDD는 훨씬 더 저렴한 가격에 살 수 있다. 이러한 경제성 때문에 계층을 두어 관리한다. 

 

이러한 계층 구조는 게임을 실행할 때 "로딩 중"이라는 메시지가 나오는 것을 볼 수 있다. 이는 하드디스크 또는 인터넷에서 데이터를 읽어 RAM으로 전송하는 과정이 아직 끝나지 않음을 의미한다.  

 

캐시

캐시(cache)는 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다. 이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다. 

 

실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결한다. 이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 한다. 예를 들어 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있다. 

 

캐시히트와 캐시미스

캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트라고 하며, 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 한다. 

 

 

캐시히트와 캐시미스

앞의 그림처럼 캐시히트를 하게 되면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져오게 된다. 캐시히트의 경우 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르다. 반면에 캐시미스가 발생하면 메모리에서 가져오게 되는데, 이는 시스템 버스 기반으로 작동하기 때문에 느리다. 

 

캐시매핑

캐시매핑이란 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며 CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다. 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘 해주려면 이 매핑을 어떻게 하느냐가 중요하다

 

이름	설명
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 충동 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 것이다. 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적이다. 예를 들어 메모리가 1 ~ 100이 있고 캐시가 1 ~ 10이 있다면 캐시 1 ~ 5 에는 1 ~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것을 말한다.

웹 브라우저의 캐시

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

 

쿠키

쿠키는 만료기한이 있는 키-값 저장소이다. same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 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 만료기한을 정한다. 

 

로컬 스토리지

로컬 스토리지는 만료기한이 없는 키-값 저장소이다. 10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성됩니다. HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며 클라이언트에서만 수정 가능하다. 

 

세션 스토리지

세션 스토리지는 만료기한이 없는 키-값 저장소이다. 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다. 5MB까지 저장이 가능하며 HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저는 사용할 수 없다. 클라이언트에서만 수정 가능하다.

 

데이터베이스의 캐싱 계층

참고로 데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터베이스 계층을 '캐싱 계층'으로 둬서 성능을 향상키기도 한다.

레디스 캐싱 계층 아키텍쳐