가상메모리(Virtual Memory)와 페이징 기법(Paging)

 

 

가상 메모리에 앞서 메모리 할당의 기본적인 원리와 외부 단편화에 대해 학습하시는 것을 추천드립니다.

운영체제의 메모리 할당(Memory Allocation)

 

 

 

가상메모리란?

가상 메모리(Virtual Memory)는 컴퓨터 시스템에서 사용되는 주기억장치(RAM)의 확장된 형태로, 실제 물리적인 RAM보다 큰 용량을 제공하는 기술입니다. 이를 통해 물리적인 메모리가 부족한 경우에도 프로그램이 실행될 수 있도록 합니다.

가상 메모리는 주로 운영 체제에서 관리되며, 주기억장치(RAM)와 하드 디스크(또는 SSD)의 조합으로 구현됩니다. 프로그램이 실행될 때, 필요한 데이터와 코드 일부가 RAM에 로드됩니다. 그러나 모든 프로그램과 데이터를 RAM에 올리는 것은 현실적으로 불가능할 수 있습니다. 대부분의 운영 체제에서는 프로그램이 실제로 필요로 할 때까지 하드 디스크에 있는 데이터를 가상 메모리에 저장하고, 필요할 때마다 RAM으로 옮겨와 사용합니다.

 

즉 가상 메모리를 사용하면 실행하고자 하는 프로그램을 일부만 메모리에 적재하기 때문에 실제 물리 메모리 크기보다 더 큰 프로세스들을 실행할 수 있게 해줍니다. 그리고 가상 메모리를 관리하는 방법이 페이징 기법입니다.

 

 

 

페이징(Paging)이란?

연속 메모리 할당 방식에서 외부 단편화가 생긴 이유는 각기 다른 크기의 프로세스가 메모리에 연속적으로 할당 및 해제되었기 때문에 빈 공간이 발생했습니다. 만약 프로세스를 일정 크기로 자르고 이를 메모리에 불연속적으로 할당할 수 있다면 어떨까요?

 

 

이것이 페이징입니다. 페이징은 프로세스의 논리 주소공간을 페이지(Page)라는 일정한 단위로 자르고, 메모리 물리 주소 공간을 프레임(frame)이라는 페이지와 동일한 크기의 단위로 자른 뒤 페이지를 프레임에 할당하는 가상 메모리 관리 기법입니다. 앞서 스와핑을 학습했었습니다. 페이징 시스템에서는 프로세스 전체가 아닌 페이지 단위로 스왑 아웃/스왑 인 됩니다. 메모리에 적재될 필요 없는 페이지들은 보조기억장치로 페이지 아웃(Page out)되고, 실행에 필요한 페이지들은 메모리로 페이지 인(Page in) 됩니다. 

 

논리주소(페이지)와 물리주소(프레임)의 매칭(좌), 페이지 인/아웃(우)

 

 

이러한 방식의 핵심은 물리 메모리보다 큰 프로세스도 실행될 수 있다는 점입니다.한 프로세스를 실행하기 위해 프로세스 전체가 메모리에 적재될 필요가 없다는 말입니다. 프로세스를 이루는 페이지 중 실행에 필요한 일부 페이지만을 메모리에 적재하고 당장 실행에 필요하지 않은 페이지들은 보조기억장치의 스왑영역에 있어도 실행이 가능합니다.

프로세스 전체가 메모리에 적재될 필요는 없습니다

다시 한번 언급하면, 페이징을 쓰면 물리 메모리보다 큰 프로세스도 실행될 수 있습니다.

 

 

 

페이지 테이블(Page Table)

프로세스가 메모리에 불연속적으로 배치되어 있다면 CPU입장에서는 어디에 어떤 프로세스가 배치되어 있는지 알아야 합니다. 이를 해결하기 위해 페이징 시스템에서는 물리 주소에 불연속적으로 프로세스가 배치되더라도 논리 주소에는 연속적으로 배치되도록 페이지 테이블을 이용합니다. 논리 주소는 CPU가 바라보는 주소이기 때문에 페이지 테이블은 CPU에게 다음에 실행할 프로세스를 알려주는 이정표 역할을 합니다.

 

프로세스마다 페이지 테이블을 가지고 있습니다. 물리주소의 프레임에 불연속적으로 논리주소의 페이지가 할당 되어있을 때, 페이지 테이블은 페이지 순서대로 해당 페이지가 어디 프레임에 위치해 있는지 알려주고 있습니다.

 

즉 프로세스가 물리적으로 분산되어 저장되어 있더라도 CPU 입장에서 바라본 논리 주소는 연속적으로 보입니다. 그리고 CPU는 그저 논리 주소를 순차적으로 실행하면 됩니다.

 

 

 

내부 단편화(Internal Fragmentation)

페이징을 통해 외부 단편화를 해결한 대신에 페이징을 쓰면 내부 단편화라는 문제가 있습니다. 페이징은 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지라는 일정한 크기 단위로 자릅니다. 그런데 모든 프로세스가 페이지 크기에 딱 맞게 잘리는 것은 아닙니다.

 

페이지 크기가 10KB이고, 프로세스 크기가 108KB라면 2KB만큼 내부 단편화가 생깁니다. 내부 단편화는 페이지 크기보다 작은 크기로 발생합니다. 그렇기 때문에 메모리 낭비가 외부 단편화보다는 훨씬 작습니다. CPU 스케줄링에서 라운드로빈의 타임 슬라이스의 적절한 크기가 중요한 것처럼 페이징에서는 페이지의 크기가 중요합니다. 너무 크면 내부 단편화가 크게 생기고, 너무 작으면 페이지 테이블이 많아지기 때문에 페이지 테이블의 공간이 낭비됩니다.

 

 

 

페이지 테이블 엔트리(PTE)

페이지 테이블에 저장하고 있는 속성 값들은 페이지 테이블 엔트리라고 합니다. 앞서 소개한 것처럼 페이지 번호와 프레임 번호 이외에도 저장하고 있는 것들이 있습니다. 중요한 정보들입니다. 

유효 비트

유효 비트는 현재 해당 페이지에 접근 가능한지 여부 입니다. PTE에서 프레임 번호 다음으로 중요한 정보입니다.

일반적으로 프로세스를 이루는 모든 페이지가 메모리에 있지 않습니다. 일부 페이지는 보조기억장치에 있는 경우가 많습니다. 유효 비트는 현재 페이지가 메모리에 적재되어 있는지 아니면 보조기억장치에 있는지를 알려주는 비트입니다. 메모리에 적재되어 있으면 1이고, 보조기억장치에 있으면 0입니다. 만약 유효 비트가 0인 메모리에 접근하려고 하면 페이지 폴트(Page Fault)라는 예외가 발생합니다. 

 

보호 비트

보호 비는 페이지 보호 기능을 위해 존재하는 비트입니다. 보호 비트가 1이면 읽기 쓰기가 모두 가능한 페이지이며 0이면 읽기 전용입니다. 

프로세스의 코드 영역은 읽기 전용입니다. 따라서 코드 영역의 페이지는 모두 보호 비트가 0이 됩니다. 보호비트는 세 개의 비트로 쪼개서 구성할 수도 있습니다. r/w/x로 구성되며 만약 보호 비트가 110이면 읽기, 쓰기는 가능하지만 실행은 불가능합니다.

 

참조 비트

참조 비트는 CPU가 이 페이지를 한 번이라도 접근한 적이 있는지 여부를 나타냅니다. 

CPU가 읽거나 쓴 페이지는 참조 비트가 1로 세팅되고, 한 번도 읽거나 쓴 적이 없는 페이지는 0으로 유지됩니다.

 

수정 비트

CPU가 참조해서 변경한 적이 있는지 없는지를 나타냅니다. 더티 비트(Dirty bit)라고 부릅니다.

이 페이지가 수정이 됐는지 안 됐는지를 알려주는 비트입니다. 수정 비트는 페이지가 메모리에서 사라질 때 보조기억장치에 쓰기 작업을 해야 하는지, 할 필요가 없는지를 판단하기 위해 존재합니다. 다시 말해 메모리에서 수정된 페이지가 페이지 아웃으로 보조기억장치로 가야 하면 보조기억장치에 있는 페이지에도 쓰기 작업을 거쳐야 합니다. 이것을 수정 비트를 보고 확인하게 됩니다. 

 

 

 

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다음 포스팅에서는 가상메모리 시리즈 마지막, 페이지 교체 알고리즘에 대해 알아보겠습니다!

 

 

 

출처: 혼자공부하는 컴퓨터구조+운영체제