[OS] 가상 메모리
3줄 요약
가상 메모리는 실제 메모리보다 큰 프로그램을 실행할 수 있도록 돕는 메모리 관리 기술
페이징을 활용해 연속할당의 단점을 보완하며, 주소 변환과 페이지 교체 알고리즘으로 성능을 관리
스래싱을 방지하기 위해 다양한 프레임 할당 방식과 작업 집합 모델이 사용됨
💻 컴퓨터 구조 & 운영체제 시리즈
이 시리즈는 『혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제』 (강민철 저)
+ 인프런 강의를 기반으로 개인적으로 복습 및 정리한 기록입니다.
📌 가상 메모리란?
물리 메모리보다 큰 프로그램을 실행하기 위해 실행에 필요한 부분만 메모리에 올려서 실행하는 메모리 관리 기법입니다.
- 연속 메모리 할당의 한계 → 외부 단편화 문제 발생
- 스와핑(Swapping)을 통해 메모리 활용을 유동적으로 처리
- 페이지 단위로 분할하여 관리 → 페이징 기반 가상 메모리
📁 연속 메모리 할당과 외부 단편화
스와핑(Swapping)
현재 사용하지 않는 프로세스를 보조기억장치로 이동시키고, 빈 공간에 다른 프로세스를 적재하는 방식입니다.
- Linux에서 스왑 메모리 확인:
1 2
free -h top
메모리 할당 방식
- First-Fit: 처음 맞는 공간에 할당
- Best-Fit: 딱 맞는 가장 작은 공간에 할당
- Worst-Fit: 가장 큰 공간에 할당
외부 단편화 (External Fragmentation)
- 작은 빈 공간들이 흩어져 있어 큰 프로세스를 적재하지 못하는 상황
- 해결 방법: 압축(Compaction) 또는 페이징
🧱 페이징(Paging)을 통한 가상 메모리
개념
- 프로그램을 일정 크기의 페이지(Page) 단위로 쪼개서, 물리 메모리의 프레임(Frame)에 할당
- 불연속적인 물리 메모리 할당 가능
페이지 테이블(Page Table)
- 페이지 번호 ↔ 프레임 번호를 매핑
내부 단편화 가능성 존재 (예: 프로세스 108KB, 페이지 크기 10KB → 2KB 낭비)
- 페이지 크기 확인:
1
getconf PAGESIZE
주소 변환
- 논리주소 = 페이지 번호 + offset
- → 페이지 테이블을 통해
- 물리주소 = 프레임 번호 + offset
PTBR (Page Table Base Register)
- CPU가 현재 프로세스의 페이지 테이블을 가리킴
TLB (Translation Lookaside Buffer)
- 페이지 테이블의 캐시 역할
- TLB hit / miss 성능에 큰 영향
🔍 페이지 테이블 엔트리(PTE) 구성 요소
- 페이지 번호, 프레임 번호
- 유효 비트: 접근 가능 여부 → 0이면 페이지 폴트 발생
- 보호 비트: 읽기/쓰기 권한
- 참조 비트: 접근 여부 기록
- 수정 비트 (dirty bit): 쓰기 여부 기록
✂️ 쓰기 시 복사 (Copy-On-Write)
- fork 시 부모의 페이지를 자식이 공유
- 쓰기 발생 시 복제하여 메모리 절약 및 성능 향상
📚 계층적 페이징 (Multilevel Paging)
- 모든 페이지 테이블을 메모리에 유지하지 않고 계층 구조로 관리
- 페이지 테이블도 페이지화함
📥 요구 페이징 (Demand Paging)
- 처음부터 모든 페이지를 올리지 않고 필요한 페이지만 적재
- 페이지 폴트 → 페이지 교체 발생 가능
🔄 페이지 교체 알고리즘
| 알고리즘 | 방식 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|
| FIFO | 가장 오래된 페이지 교체 | 구현 쉬움 | 장기 거주 페이지 문제 |
| Second-Chance | 참조 비트로 기회 부여 | FIFO 개선 | 약간의 오버헤드 발생 |
| LRU | 가장 오래 사용 안 한 페이지 | 성능 우수 | 구현 복잡 |
| Optimal | 가장 오래 사용 안 할 페이지 | 이론적으로 최적 | 미래 예측 불가로 구현 어려움 |
페이지 참조열
- 연속된 페이지 요청 중복 제거하여 페이지 폴트 최소화 분석
알고리즘 종류
- FIFO: 가장 먼저 들어온 페이지 교체
- Second-Chance: 참조 비트 활용하여 기회 제공
- Optimal: 앞으로 가장 오래 사용되지 않을 페이지 교체 (이론상 최적)
- LRU: 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지 교체
🧩 프레임 할당 기법
문제: 스래싱 (Thrashing)
출처: 『혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제』 - 강민철 저
- 프로세스가 페이징에만 시간을 소비 → 성능 급감
할당 방식
- 균등 할당: 모든 프로세스에 동일한 프레임
- 비례 할당: 프로세스 크기에 비례하여 프레임 할당
- 작업 집합 모델: 일정 시간 내 참조한 페이지 집합에 따라 프레임 결정
- 페이지 폴트 빈도 기반: 페이지 폴트율에 따라 프레임 수 조절
🛠️ 내용 보완 및 추가 설명
추가 설명
📌 스와핑의 현대적 의미
기존 설명: 사용되지 않는 프로세스를 보조기억장치의 스왑 영역으로 이동
- 현대 운영체제에서는 전체 프로세스를 통째로 스와핑하는 경우보다,
페이징 기반의 부분 스와핑(page swapping) 방식이 일반적이다. - 즉, 프로세스의 일부분인 페이지 단위로 메모리에서 보조기억장치로 이동하고 다시 적재한다.
📌 PTBR와 TLB 보완 설명
기존 설명: 페이지 테이블이 메모리에 존재하면 메모리 접근 시간이 2배
- 더 정확하게는, 페이지 테이블 접근 + 실제 데이터 접근 → 메모리 접근 2회 발생
- 이를 줄이기 위해 TLB(Translation Lookaside Buffer)가 사용된다.
- 페이지 테이블의 일부를 캐싱하여 빠르게 참조 가능
- TLB Hit → 빠르게 변환, TLB Miss → 메모리 접근 2번 수행
📌 LRU의 구현 현실성
- LRU(Least Recently Used)는 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체
- 그러나 이를 정확하게 구현하려면, 모든 페이지 접근 시간을 추적해야 하므로
하드웨어적 지원 또는 근사 알고리즘이 필요하다.
💡 대표적인 근사 알고리즘: Clock 알고리즘 (→ Second-Chance와 유사)
📌 Copy-on-Write(COW) 예외 보완
fork()후 부모와 자식 프로세스는 페이지를 공유한다.- 단, 자식이
exec()시스템 호출을 수행하면 자체 프로그램으로 메모리가 교체된다.
→ 이 경우 COW(shared page)는 더 이상 유지되지 않는다.
📌 스래싱(thrashing) 원인 보완
기존 설명: 페이징에 너무 많은 시간이 소요되어 성능 저하
- 실제로는 디스크 I/O 병목이 발생하며 시스템 전체 성능이 급격히 저하된다.
- 작업 집합 크기보다 적은 프레임을 가진 프로세스가 많을수록 스래싱 가능성이 커진다.
🧩 추가로 알면 좋은 개념
추가 개념
📌 세그멘테이션(Segmentation)
- 페이징 외의 가상 메모리 기법으로, 크기가 가변적인 논리 단위(세그먼트)를 기준으로 메모리를 나눈다.
- 예: 코드 세그먼트, 데이터 세그먼트, 스택 세그먼트 등
- 외부 단편화 발생 가능성이 존재하지만, 논리적 의미 단위로 접근이 유리한 장점이 있다.
📌 Clock (Second-Chance) 페이지 교체 알고리즘
- LRU의 근사 기법으로 실제 운영체제에서 널리 사용
- 원형 큐 형태로 페이지 프레임을 순환하며, 참조 비트가 0인 페이지를 교체 대상으로 선택한다.
- 참조 비트가 1이면 0으로 리셋하고 다음 페이지 확인
📌 실제 운영체제 예시 (리눅스 기준)
- 리눅스는 다음의 방식으로 가상 메모리를 관리함:
- Demand Paging + Copy-on-Write
- 페이지 교체 시 LRU 근사 알고리즘 (Clock 방식) 사용
/proc파일 시스템에서 메모리 정보 확인 가능
✅ 마무리 정리
가상 메모리는 물리 메모리를 효율적으로 활용할 수 있도록 도와주는 핵심 기술
페이징 기법과 다양한 페이지 교체 알고리즘을 통해 성능을 유지하며,
스래싱을 방지하기 위해 작업 집합, PFF, 다양한 할당 기법이 활용
📚 참고 자료
- 『혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제』 - 강민철 저
- 인프런 강의 - 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제 기반 강의
읽어주셔서 감사합니다 🙌
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