Link Search Menu Expand Document
melodist Dev Records

가상 메모리의 이해

가상 메모리 개념

가상 메모리가 필요한 이유

  • 하나의 프로세스만 실행 가능한 시스템 (ex. 배치 처리 시스템 등)
    1. 프로그램을 메모리에 적재
    2. 프로세스 실행
    3. 프로세스 종료 (메모리 해제)
  • 여러 프로세스 동시 실행 시스템
    1. 메모리 용량 부족 이슈
    2. 프로세스 메모리 영역 간에 침범 이슈

가상 메모리 (Virtual Memory System)

실제 각 프로세스마다 충분한 메모리를 할당하기에는 메모리 크기에 한계가 있음

  • 폰 노이만 구조 기반이므로 코드는 반드시 메모리에 있어야 함
  • 프로세스가 항상 프로세스의 모든 영역을 사용하는 것은 아님

그러므로 각 프로세스에서 실제로 사용하는 부분만 메모리에 적재하면 프로세스간 공간을 분리하면서도 메모리를 효율적으로 활용할 수 있다. 이를 가상 메모리라고 한다.

기본 아이디어

  • 프로세스는 가상 주소를 사용하고 실제 해당 주소에서 데이터를 읽고 쓸 때에만 물리 주소로 바꿔준다.
  • Virtual address (가상 주소): 프로세스가 참조하는 주소
  • Physical address (물리 주소): 실제 메모리 주소

MMU (Memory Management Unit)

CPU에서 코드 실행 시 가상 주소 메모리 접근이 필요할 때 해당 주소를 물리 주소값으로 변환해주는 장치

페이징 시스템

페이징 (paging) 개념

  • 크기가 동일한 페이지로 가상 주소 공간과 이에 매칭되는 물리 주소 공간을 관리
  • 하드웨어 지원이 필요 ex. Intel x86 시스템 (32bit)에서는 4KB, 2MB, 1GB 지원
  • 리눅스에서는 4KB로 paging
  • 페이지 번호를 기반으로 가상 주소/물리 주소 매핑 정보를 기록/사용

페이징 시스템 예제

  • 프로세스의 PCB에 Page Table 구조체를 가리키는 주소가 들어 있음
  • Page Table에는 가상 주소와 물리 주소간 매핑 정보가 있음

VirtualMemory2

페이징 시스템 구조

  • page 또는 page frame: 고정된 크기의 block (4KB)
  • paging system
    • 가상 주소 v = (p, d)
      • p: 가상 메모리 페이지
      • d: p 안에서 참조하는 위치
      • 페이지 크기가 4KB일 경우 0비트에서 11비트가 d를 나타내고 12비트 이상이 페이지 번호가 될 수 있음

페이지 테이블 (page table)

  • 물리 주소에 있는 페이지 번호와 해당 페이지의 첫 물리 주소 정보를 매핑한 표
  • paging system 동작
    • 특정 프로세스에서 특정 가상 주소에 접근하려면
      • 해당 프로세스의 PCB에 있는 page table에 해당 가상 주소가 포함된 page 번호가 있는지 확인
      • page 번호가 있으면 이 page가 매핑된 첫 물리 주소(p’)를 알아내고 p’ + d가 실제 물리 주소가 됨

페이지 테이블 예제

VirtualMemory3

aspect의 실제 주소를 확인하는 예제

  1. Process Page Table에서 aspect가 속한 page3이 Process Page Table에 있는지 확인
  2. Page3이 매핑된 첫 물리 주소인 1000h에 d = 2를 더하여 aspect의 실제 주소는 1002h

페이징 시스템과 MMU

  • CPU는 가상 주소 접근시 하드웨어 장치인 MMU를 통해 물리 메모리에 접근
  • 프로세스 생성 시 페이지 테이블 정보가 생성됨
    • PCB 등에서 해당 페이지 테이블에 접근 가능하고 관련 정보는 물리 메모리에 적재됨
    • 프로세스 구동 시 해당 페이지 테이블 base 주소가 CR3 레지스터에 저장됨
    • CPU가 가상 주소 접근 시 MMU가 페이지 테이블 base 주소에 접근하여 물리 주소를 가져옴

페이징 시스템

다중 단계 페이징 시스템

32bit 시스템에서 4KB 페이지를 위한 페이징 시스템은

  • 하위 12bit는 OFFSET(변위) / 상위 20bit는 페이지 번호, 2^20(1048576)개의 페이지 정보가 필요함

페이징 정보를 단계를 나누어 생성하여 필요 없는 페이지를 생성하지 않아 공간 절약이 가능

페이지 번호를 나타내는 bit를 구분해서 단계를 나눔 (리눅스는 3단계, 최근 4단계)

PagingSystem1

MMU와 TLB(컴퓨터 구조)

PagingSystem2

TLB(Translation Lookaside Buffer)라는 레지스터를 도입하여 MMU가 물리 주소를 확인하기 위해 메모리에 접근하는 횟수를 2번에서 1번으로 줄일 수 있다. TLB에 MMU가 찾는 물리 주소가 있을 경우 저장된 주소를 통하여 메모리에 접근한다. CR3에 있는 가상 주소를 가지고 메모리에 접근하는 과정은 TLB -> Page table -> Disk 순이다.

페이징 시스템과 공유 메모리

Read Write
PagingSystem3 PagingSystem4

여러 프로세스가 동일한 물리 주소를 가리키는 것으로 공간과 메모리 할당 시간을 절약할 수 있다.

  • Copy On Write (COW): 평소에는 리소스를 공유하다가 한 프로세스에서 리소스를 수정할 경우가 발생하면 이전 리소스의 복사본을 쓰게 한다. 이후 각 프로세서의 포인터만 변경시켜 주면 문제없이 동작한다.

요구 페이징 (Demand Paging / Demanded Paging)

  • 프로세스의 모든 데이터를 메모리에 적재하지 않고 실행 중 필요한 시점에만 메모리로 적재하는 기법
  • 프로세스의 모든 데이터를 미리 메모리에 적재하는 선행 페이징(anticipatory paging / prepaging)의 반대 개념
  • 더 이상 필요하지 않은 페이지 프레임은 다시 저장매체에 저장하므로 페이지 교체 알고리즘이 필요

페이지 폴트 (page fault)

  • 어떤 페이지가 실제 물리 메모리에 없을 때 일어나는 인터럽트로 이 인터럽트가 발생하면 운영체제는 해당 페이지를 물리 메모리에 적재

페이지 폴트와 인터럽트

PagingSystem5

생각해보기

  • 페이지 폴트가 자주 일어나면 실행되기 전에 해당 페이지를 물리 메모리에 올려야 하므로 시간 소모가 큼
  • 페이지 폴트가 안 일어나게 하려면 향후 실행/참조될 코드/데이터를 미리 물리 메모리에 올리면 되지만 이러한 일은 현실적으로 불가능하다.

페이지 교체 정책 (page replacement policy)

  • 운영체제가 특정 페이지를 물리 메모리에 적재하려 할 때 물리 메모리가 다 차있다면
    • 기존 페이지 중 하나를 물리 메모리에서 저장 매체로 내리고
    • 새로운 페이지를 해당 물리 메모리 공간에 올린다.
    • 어떤 페이지를 물리 메모리에서 저장 매체로 내릴 것인가?
  1. FIFO: 가장 먼저 들어온 페이지를 내리자
  2. OPT: 앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 내리자 -> 구현 불가능
  3. LRU(Least Recently Used): 가장 오래 전에 사용된 페이지를 교체. Doubly Linked List를 사용하여 구현한다. head에 가까운 데이터일수록 최근에 사용한 데이터이고, tail에 가까울수록 오랫동안 사용하지 않은 데이터로 간주하여 새로운 데이터를 삽입할 때 가장 먼저 삭제되도록 한다. 삽입된 데이터를 사용하게 되면 head로 옮겨 우선순위를 높인다.
  4. LFU(Least Frequently Used): 가장 적게 사용된 페이지를 교체
  5. NUR(Not Used Recently)
    • LRU와 마찬가지로 최근에 사용하지 않은 페이지부터 교체
    • 각 페이지마다 참조 비트(R), 수정 비트(M)을 두고 (R, M) :arrow_right: (0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1) 순으로 페이지 교체

Locality

#include <stdio.h>
int main()
{
	int i=0;
	int j=0;
	for (i=1; i <= 9; i++)
	{
		for (j=1; j <= 9; j++)
		{
			printf("%d x %d = %d\n", i, j, (i*j));
		}
		printf("\n");
	}
	return 0;
}

Thrashing(스레싱)

PagingSystem6

반복적으로 페이지 폴트가 발생해서 과도하게 페이지 교체 작업이 일어나 실제로는 아무 일도 하지 못하는 상황

세그멘테이션 (Segmentation)

가상 메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그먼트(segment)로 분할

  • 페이징 기법에서는 가상 메모리를 같은 크기의 블록으로 분할
  • ex. x86 리얼모드에서는 CS(Code Segment), DS(Data Segment), SS(Stack Segment), ES(Extra Segment)로 나누어 메모리를 접근

세그먼트 가상주소

  • v = (s, d): s는 세그먼트 번호, d는 블록 내 세그먼트의 변위

Sementation1

세그멘테이션 기법

  • 세그멘테이션은 크기가 다른 segment 단위로 물리 메모리에 적재

Sementation2

단편화

메모리 공간이 충분함에도 불구하고 프로세스가 메모리에 적재되지 못해 메모리가 낭비되는 현상

내부 단편화 (페이지 기법)

페이지 블록만큼 데이터가 딱 맞게 채워져있지 않을 때 공간 낭비

외부 단편화 (세그멘테이션 기법)

가변 분할 방식에서 메모리에 프로세스가 적재되고 제거되는 일이 반복되면서, 여유 공간이 충분함도 불구하고 이러한 여유 공간들이 조각으로 흩어져 있어(Scattered Holes) 메모리에 프로세스를 적재하지 못해 메모리가 낭비되는 현상

References

컴퓨터 공학 전공 필수 올인원 패키지 Online