08 OS - 가상메모리

1. 가상 메모리

1. 가상메모리

• 모든 프로세스가 동시에 메모리를 전부 사용하는 것이 아니기 때문에,
• 논리 주소와 물리 주소 바인딩(MMU) 을 통해
• 당장 필요한 페이지만 물리 메모리에 올리고,
• 사용하지 않는 페이지는 디스크(보조기억장치)에 저장(swap) 해두는 방식으로,
• 프로세스에게는 실제 메모리보다 더 큰 공간을 제공하는 것처럼 착각하게 만드는 기술

2. 요구페이징

1. 요구페이징

• 프로세스가 실행되면서 실제로 필요한 페이지가 요청될 때까지, 해당 페이지는 메모리에 올리지 않고 기다리는 방식
• 필요한 순간까지 메모리에 적재하지 않는 동적 적재(Dynamic Loading)의 한 형태

2. 페이지 부재 (Page Fault)

• 의미: 프로세스가 접근하려는 메모리 페이지가 현재 물리 메모리에 없을 때 발생하는 예외 상황
• 상황: CPU가 특정 페이지를 참조하려고 했는데, 그 페이지가 메모리에 없으면 OS에 “페이지 부재” 인터럽트가 걸림
• 처리 과정:
  • OS가 디스크(스왑 영역)에서 해당 페이지를 읽어 메모리에 적재
  • 페이지 테이블 업데이트
  • 중단됐던 명령어 재실행

3. 페이지 성능 (Page Performance)

• 의미: 페이지 부재가 얼마나 자주 발생하는지, 그리고 그로 인한 성능 영향
• 지표: 페이지 부재율 (Page Fault Rate)
  • 낮을수록 성능 좋음
  • 높으면 CPU가 페이지 부재 처리에 자주 멈춰 성능 저하

4. 페이지 대치 (Page Replacement)

• 의미: 메모리가 가득 차서 새 페이지를 올릴 공간이 없을 때, 기존에 메모리에 있던 페이지 중 하나를 골라 내리고 새 페이지를 적재하는 작업
• 목적:
  • 페이지 부재 발생 시, 메모리에 공간 확보
  • 효율적으로 교체해서 부재율 최소화

3. 페이지 대치 알고리즘 🔖

알고리즘	개념	장점	단점
선입선출 대치 알고리즘 (FIFO)	가장 먼저 올라온 페이지를 가장 먼저 제거	구현이 간단	자주 쓰는 페이지도 제거될 수 있음 (Belady’s Anomaly 발생)
최적페이지 대치알고리즘 (Optimal)	앞으로 가장 오래 사용되지 않을 페이지를 제거	이론적으로 가장 효율적	미래 예측이 필요해 실제 구현 불가능
최근 최소사용대치알고리즘 (LRU)	가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 제거	실사용 패턴에 근접	시간/공간 오버헤드 큼 (스택, 타임스탬프 필요)
최근 최소 사용 근접 알고리즘 (Approx. LRU)	최근 사용 여부만 추적해 LRU 흉내 (ex. Clock 알고리즘 사용)	구현 간단, 성능도 준수	정확한 LRU는 아님, 근사치일 뿐

4. 프레임할당 알고리즘

알고리즘	개념	장점	단점
균일 프레임 할당	모든 프로세스에 동일한 수의 프레임을 균등 분배	- 구현이 단순함 - 공정하게 보일 수 있음	- 큰 프로세스는 프레임 부족으로 페이지 부재 ↑ - 작은 프로세스는 프레임 낭비
비례 프레임 할당	각 프로세스의 크기(페이지 수)에 비례하여 프레임 분배	- 자원 효율성 향상 - 스래싱 감소	- 계산이 복잡함 - 프로세스 동적 변화에 대응 어려움

5. 기타 용어

1. 스래싱 (Thrashing)

• 정의 : 시스템이 너무 많은 페이지 부재(Page Fault)를 처리하느라 CPU는 거의 작업을 못하고, 메모리 입출력(I/O) 작업에만 몰두하는 상태
• 원인 : 프로세스에 할당된 프레임이 너무 적어서 자주 페이지 교체가 발생할 때
• 결과 : 시스템 전체 성능 급격히 저하

2. 지역성(지역구, Locality)

• 정의 : 프로세스가 특정 시간 동안 메모리의 일부 주소(지역)만 집중적으로 참조하는 성질
• 종류 :
  • 시간 지역성: 최근 참조한 주소를 다시 참조할 가능성 높음
  • 공간 지역성: 최근 참조한 주소 주변을 참조할 가능성 높음
• 중요성 : 가상 메모리와 캐시 설계에서 성능 최적화의 기본 원리

3. 직접 집합 모델 (Direct Mapped Model)

• 정의 : 주로 캐시 메모리에서 사용되는 매핑 방식
• 특징
  • 각 메모리 블록이 캐시 내 특정 하나의 블록(슬롯)과 1:1 대응
  • 매핑이 단순하고 빠르지만, 충돌 발생 가능성이 큼
• 관련 : 페이지 테이블의 간단한 매핑 방식과는 별개로, 주로 캐시 설계에서 쓰임

4. 페이지 부재 비율 (Page Fault Rate)

• 정의 : 전체 메모리 접근 중 페이지 부재가 발생하는 비율
• 의미 : 낮을수록 가상 메모리 성능이 좋고, 시스템 효율이 높음
• 관리 목표 : 페이지 대치 알고리즘과 프레임 할당 알고리즘을 통해 페이지 부재 비율을 최소화하려고 함

5. 대치범위 (Replacement Scope)

• 정의: 페이지 교체(대치) 알고리즘이 어느 범위 내에서 교체할 페이지를 선택하는지 결정하는 기준
• 종류:
  • 지역 대치(Local Replacement): 현재 실행 중인 프로세스의 페이지 중에서만 교체
  • 전역 대치(Global Replacement): 시스템 전체(모든 프로세스)의 페이지 중에서 교체
• 차이점:
  • 지역 대치는 프로세스가 할당받은 프레임 내에서만 교체, 다른 프로세스 영향 없음
  • 전역 대치는 모든 프로세스의 프레임을 대상으로 교체 가능, 더 유연하지만 공정성 문제 발생 가능

6. 프리페이징 (Prepaging)

• 정의: 페이지 부재를 줄이기 위해, 프로세스 실행 전에 예상되는 페이지들을 미리 메모리에 적재하는 기법
• 목적:
  • 페이지 부재 발생 시 디스크 접근 지연을 줄임
  • 실행 초반에 성능 향상 기대
• 대조: 요구 페이징(Demand Paging)은 실제 요청할 때 페이지를 적재하는 방식

7. 페이지 크기 (Page Size)

• 정의: 가상 메모리와 물리 메모리를 나누는 단위인 페이지와 프레임의 크기
• 특징:
  • 일반적으로 4KB, 8KB, 16KB 등 2의 제곱 크기
  • 페이지 크기가 크면 페이지 테이블 크기가 작아지지만 내부 단편화가 늘어남
  • 페이지 크기가 작으면 단편화는 줄지만 페이지 테이블이 커져 관리가 복잡

8. 페이지 테이블의 구조

• 역할: 논리 주소(가상 주소)의 페이지 번호를 물리 주소의 프레임 번호로 변환하는 매핑 정보 저장소
• 구성 요소:
  • 페이지 번호 → 프레임 번호
  • 플래그: 유효 비트, 접근 권한, 수정 비트, 참조 비트 등
• 종류:
  • 단일 레벨 페이지 테이블: 1차원 배열, 간단하지만 큰 주소 공간에 비효율적
  • 다단계 페이지 테이블: 여러 단계로 나눠서 관리, 메모리 절약
  • 해시 페이지 테이블, 역 페이지 테이블 등 다양한 구조 존재