[CS] Copy-On-Write

🦊 Copy-On-Write (COW)

1. 운영 체제에서의 Copy-On-Write

운영 체제에서 fork 시스템 콜을 사용할 때, 자식 프로세스는 부모 프로세스의 메모리 공간을 복사합니다. 이때 Copy-On-Write (COW) 기법을 사용하면 메모리의 효율성을 크게 높일 수 있습니다. COW의 주요 특징은 다음과 같습니다:

• 초기 복사 지연
  fork 호출 시 부모와 자식 프로세스는 동일한 물리 메모리 페이지를 가리킵니다.
  실제로 데이터를 복사하지 않고, 부모와 자식이 동일한 메모리 페이지를 읽습니다.
  이 페이지들은 read-only 로 설정됩니다.

• 실제 쓰기 시점에서의 복사:
  부모 또는 자식 프로세스가 메모리 페이지에 write 작업을 시도하면 페이지 폴트가 발생합니다.
  운영 체제는 이 시점에서 해당 페이지를 복사하고, 쓰기 가능한 페이지를 새로 할당합니다.
  이후, 두 프로세스는 각자 독립적인 메모리 페이지를 갖게 됩니다.

• 효율성:
  메모리와 CPU 자원을 절약할 수 있습니다.
  초기 fork 시점에서는 페이지를 복사하지 않으므로, 속도가 빨라집니다.

2. 프로그래밍 언어에서의 Copy-On-Write

프로그래밍 언어에서도 COW가 메모리 효율성을 위해 사용됩니다. 🚥

• 초기 복사 지연
  데이터를 처음에는 공유하도록 합니다.
  복사가 필요한 시점까지 실제 데이터를 복사하지 않습니다.

• 실제 쓰기 시점에서의 복사
  데이터가 수정될 때까지 복사를 지연시킵니다.
  수정이 발생할 때만 실제 데이터를 복사합니다.

3. 두 경우의 유사점과 차이점

• 유사점
  둘 다 메모리 사용의 효율성을 높이기 위해 데이터를 지연 복사합니다.
  실제 쓰기 작업이 발생할 때만 데이터를 복사합니다. (Lazy)
  초기에는 read-only 읽기 전용으로 데이터에 접근합니다.

• 차이점:

  • 용도:
    💿 운영 체제에서는 주로 프로세스 간 메모리 효율성을 위해 사용됩니다.
    🦜 프로그래밍 언어에서는 주로 큰 데이터의 복사 시 성능 향상을 위해 사용됩니다.
  • 구현 레벨:
    운영 체제의 COW는 하드웨어 레벨의 페이지 테이블과 메모리 관리 유닛(MMU)에 의해 구현됩니다.
    프로그래밍 언어의 COW는 소프트웨어 레벨에서 데이터 구조와 관련된 참조 카운팅 및 복사 로직을 통해 구현됩니다.

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🦢 Copy-On-Write in Swift!

스위프트에서의 Copy-On-Write(COW) 기법은 값 타입(value type)인 배열(Array), 딕셔너리(Dictionary), 세트(Set) 등의 데이터 구조에서 사용됩니다. 이 기법은 배열을 복사할 때 메모리 효율성을 극대화하기 위해 구현됩니다.

스위프트에서의 COW는
참조 카운팅(reference counting)과
쓰기에 대한 복사(copy-on-write) 두 가지 핵심 개념을 바탕으로 작동합니다.

1. 참조 카운팅 (Reference Counting)

• 초기 상태 배열 array1을 생성하고, 이를 array2에 할당하면 두 배열은 같은 메모리 주소를 참조합니다. 이 상태에서 배열의 실제 데이터는 동일한 메모리 블록을 공유합니다.
• 참조 카운트 증가 array1과 array2 모두 동일한 메모리 블록을 참조하기 때문에 참조 카운트는 2가 됩니다.

var array1: [Int] = [0, 1, 2, 3]
var array2 = array1

// 참조 카운트는 2

2. 쓰기에 대한 복사 (Copy-On-Write)

• 수정 시점 array2에 변경이 발생할 때, 스위프트는 COW를 통해 array2의 데이터가 변경될 때까지 동일한 메모리 블록을 사용하도록 합니다. 하지만 array2가 변경되면, 스위프트는 실제로 데이터를 복사하여 새로운 메모리 블록을 할당합니다. 이 과정에서 참조 카운트를 확인하여, 참조 카운트가 1 이상일 경우에만 복사가 발생합니다.

array2.append(4)

// 이 시점에서 array2는 새로운 메모리 블록을 할당받습니다.
// 참조 카운트는 1로 감소 (array2가 새로운 메모리 블록을 가지기 때문)

스위프트에서의 CoW와 참조

• 초기 상태: array1과 array2는 동일한 메모리 주소를 참조하고, 참조 카운트는 2입니다.
• 데이터 변경: array2에 데이터 변경이 발생하면, 스위프트는 array2의 새로운 메모리 블록을 할당하여 복사합니다. 이로 인해 array2는 새로운 메모리 주소를 가지게 됩니다.

☃️ OS의 CoW와 프로그래밍 언어의 CoW 비교

OS의 CoW (예: fork 시스템 콜)

• 페이지 테이블 엔트리(PTE) 복사: fork 시스템 콜은 부모 프로세스의 페이지 테이블 엔트리를 자식 프로세스에 복사하여 둘 다 같은 물리 메모리 페이지를 참조하도록 합니다. 읽기 전용으로 설정된 이 페이지는 둘 중 하나가 쓰기를 시도할 때 복사됩니다.
• 페이지 폴트 처리: 쓰기 시도가 있을 때 페이지 폴트가 발생하고, 해당 페이지가 복사되어 독립적인 메모리 공간을 가집니다.

프로그래밍 언어의 CoW (예: 스위프트)

• 참조 카운팅 배열이나 데이터 구조의 참조 카운트를 유지합니다. 여러 참조가 있을 때 데이터가 변경되면 새로운 메모리 블록을 할당합니다.
• 데이터 구조 복사 쓰기 시도가 있을 때 데이터 구조를 복사하여 독립적인 메모리 공간을 제공합니다.

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Lazy-Loading..?🐹

Copy-On-Write(COW)

• 목적 메모리 사용의 효율성 극대화.
• 작동 방식 초기에는 데이터를 복사하지 않고 참조를 공유하다가, 실제로 데이터가 변경되는 시점에 복사를 수행합니다.
• 사용 사례 운영 체제의 fork 시스템 콜, 프로그래밍 언어의 값 타입 데이터 구조(예: 스위프트의 배열).

Lazy Loading

• 목적 성능 최적화 및 초기화 지연을 통한 리소스 사용 최소화.
• 작동 방식 실제로 필요해질 때까지 리소스를 로드하지 않고 대기하다가, 해당 리소스가 처음 필요해지는 시점에 로드를 수행합니다.
• 사용 사례 데이터베이스에서 데이터 페치, 객체 초기화, 이미지 로딩 등.

COW와 Lazy Loading의 유사점

• 지연된 작업 수행 둘 다 초기화 시점에 모든 작업을 수행하지 않고, 실제로 필요해지는 시점까지 작업을 지연시킵니다.
• 효율적인 리소스 사용 둘 다 리소스를 효율적으로 사용하고 낭비를 줄이기 위해 설계되었습니다.

COW와 Lazy Loading의 차이점

• 적용 범위
  • COW는 주로 메모리 효율성 및 데이터 복사 최적화를 위해 사용됩니다.
  • Lazy Loading은 주로 성능 최적화 및 초기화 지연을 통해 리소스를 절약하는 데 사용됩니다.
• 작업의 종류
  • COW는 데이터의 실제 복사 작업을 지연시킵니다.
  • Lazy Loading은 데이터나 리소스의 로딩 또는 초기화를 지연시킵니다.

COW와 Lazy Loading은 모두 필요할 때까지 작업(복사,초기화)을 지연시켜 리소스를 효율적으로 사용하기 위한 전략입니다.

그러나 COW는 주로 메모리 복사 최적화와 관련이 있고.
Lazy Loading은 리소스 초기화 및 로딩 최적화와 관련이 있다는 점에서 차이가 있습니다!