한재원

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[운영체제] 가상 메모리

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가상 메모리에 대해 알아보자

가상 메모리란?

정의

  • 프로세스가 실행될 때 코드 전체를 메모리에 로드하지만, 코드의 일부에서만 대부분의 시간을 사용함
    • 특정 순간에는 항상 작은 양의 주소공간을 사용
    • 코드 용량이 메모리 용량보다 큰 프로그램은 실행시킬 수 없음
  • 물리적 메모리 용량의 한계를 극복하기 위한 기술

역할

  • 프로세스 실행에 필요한 일부만 메모리에 로드하고 나머지는 디스크에 둔다.
    • 프로세스 전체가 물리적 메모리에 존재하는 것처럼 수행된다
  • 메모리에 작은 양의 주소 공간만 있으면 프로세스를 수행할 수 있게 되고, 더 많은 프로세스를 동시 실행 가능

용어 정리

  • disk swap 영역 == 가상메모리 / 페이지
  • 물리메모리 == 메인메모리 / 프레임


메모리 분할 기법

고정 분할

  • 메모리 공간을 고정된 크기로 분할
  • 비연속 메모리 분할 : 한 프로세스가 분산배치됨
  • 내부단편화 발생
    • 메모리의 분할 크기보다 작은 프로세스가 적재되면 공간 낭비
    • 적절한 메모리 분할 크기를 선택해야한다

가변 분할

  • 메모리 공간을 프로세스 크기에 맞게 분할
  • 연속 메모리 분할 : 한 프로세스가 연속된 공간에 배치됨
  • 비어있는 메모리 공간이 여러개일 경우 어디에 배치할지 선택해야한다
    • 최초적합 : 가장 먼저 발견되는 곳에 배치
    • 최적적합 : 빈공간이 가장 적게 생기는 곳에 배치
    • 최악적합 : 빈공간이 가장 크게 생기는 곳에 배치
    • 최초 == 최적 > 최악 (랜덤하게 넣나 최적으로 넣나 비슷하다는 결론)
  • 외부단편화 발생
    • 메모리의 할당과 해제가 반복되면 메모리에 빈공간이 생긴다
    • 빈공간의 메모리 합계가 프로세스보다 커도, 연속된 메모리가 아니라서 올리지 못하게 됨
  • 외부단편화 해결
    • Compaction : 빈 공간을 연속된 공간으로 압축시키는 방법


페이징 기법

  • 프로세스를 고정 분할 기법을 사용하여 일정 크기의 페이지로 잘라 메모리에 적재하는 방식

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  • 가상 메모리와 물리 메모리 영역의 주소 공간을 동일한 크기로 나눈다
    • 가상 메모리 블록 -> 페이지
    • 물리 메모리 블록 -> 프레임

프로세스 테이블

  • 페이지와 프레임은 프로세스 페이지 테이블을 사용하여 매핑한다
  • 각 프로세스는 자신만의 페이지 테이블을 가진다.

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  • 페이지 테이블은 배열이라고 생각하면 된다
    • 인덱스가 페이지 번호이고 배열의 값이 프레임 번호
  • 하지만 페이지 테이블의 용량이 커서 성능문제가 발생하므로 캐시(TLB)를 사용한다


세그먼테이션 기법

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  • 프로세스를 가변 분할 기법을 사용하여 가변 영역인 세그먼트로 잘라 메모리에 적재하는 방식
  • 세그먼트 테이블을 사용한다
    • index : 세그먼트 번호
    • base : 시작 주소
    • limit : 세그먼트 크기
  • 데이터 공유에 유리하다
    • ex) 코드, 데이터, 스택영역을 나눌 때 각 영역에 알맞게 나누기 때문에 영역끼리 섞이지 않음


페이징 vs 세그먼테이션

  페이징 세그먼테이션
분할방식 고정분할 가변분할
외부단편화 X O
내부단편화 O X


요구 페이징

  • 초기에는 필요한 페이지만을 메인메모리에 적재하고, 프로세스 실행중에 실제로 필요한 페이지를 적재하는 기법
    • 이를 Lazy swapper라 함.
    • 가상메모리를 페이지로 나눈 뒤 메인메모리 프레임에 적재
  • 장점 : 메모리 절약, 프로세스 응답 속도 향상
  • 단점 : page fault 발생

원리

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  • 페이지가 실제로 물리메모리에 적재되었는지의 여부는 페이지 테이블을 통해 판단한다.
  • Valid-Invalid Bit를 활용
    • v : 물리메모리에 적재되어 있음
    • i : 적재되어 있지 않음


Page Fault

  1. 프로세스가 특정 페이지를 요청 -> 메인메모리에 페이지 존재 X
  2. 제어권이 운영체제로 넘어가고 페이지를 가져올 프레임 공간을 찾음(free frame)
    • 공간이 없다면 페이지 교체 발생
  3. 페이지 테이블에서 가상메모리(디스크) 주소를 확인 -> 메인메모리에 페이지 저장 (disk I/O이므로 상태가 blocked로 변경)
  4. 페이지 테이블 업데이트 후 ready 상태로 변경


페이지 교체 알고리즘

  • page fault가 발생하여 페이지를 가져올 메인메모리의 프레임 공간이 부족할 경우 특정 프레임을 교체해야하는데, 가장 적절한 프레임을 선택하는 알고리즘이다.

FIFO (First In First Out)

  • 가장 먼저 들어온 페이지를 교체 (선입선출)
  • 큐로 구현

OPT (Optimal)

  • 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체
  • 가장 이상적인 방법이지만 적절한 페이지를 예측하는것이 불가능함.

LRU (Least Recently Used)

  • 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체
  • 큐로 구현
  • 참조된 페이지 시간을 기록해야하므로 오버헤드가 발생

NRU (Not Recently Used)

  • 최근에 사용하지 않은 페이지 교체
  • LRU와 근사한 알고리즘
  • 적은 오버헤드로 적절한 성능
  • 두 개의 비트를 사용
    • 참조 비트 r : 페이지가 참조되지 않았으면 0, 호출되었으면 1 (참조비트는 주기적으로 0으로 변경)
    • 변형 비트 m : 페이지 내용이 변경되지 않으면 0, 변경되었으면 1
    • 교체 우선순위 예시
      1. r = 0 / m = 0
      2. r = 0 / m = 1
      3. r = 1 / m = 0
      4. r = 1 / m = 1

LFU (Least Frequently Used)

  • 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체
  • 가장 최근에 불러운 페이지가 교체될 수 있고, 구현이 복잡함

MFU (Most Frequently Used)

  • 참조 횟수가 가장 많은 페이지를 교체
  • 가장 많이 사용된 페이지는 앞으로 사용되지 않을것이라는 가정