가상메모리(Virtual Memory)란 무엇일까?

 

 

 

가상메모리(Virtual Memory)

가상 메모리는 컴퓨터 시스템에서 실제 물리적인 메모리(RAM)보다 더 큰 용량의 메모리 공간을 제공하는 기술입니다. 프로그램이 실행되면 일부 또는 전체가 실제 RAM에 로드되지만, 모든 프로그램 및 데이터가 한 번에 실제 메모리에 들어갈 수 없는 경우가 있습니다. 이런 상황에서 가상 메모리는 물리적 메모리의 부족을 보완하여 시스템 성능을 향상시키는 역할을 합니다.

가상 메모리 시스템은 프로세스가 필요로 하는 메모리 공간을 작은 단위인 페이지로 분할하고, 이 페이지들을 물리적 RAM과 저장장치(하드 디스크 등)의 일부인 가상 메모리에 매핑합니다. 현재 실행 중인 프로세스의 일부 페이지만 실제 RAM에 적재되고, 필요한 페이지가 사용될 때 동적으로 메모리를 교체하여 물리적 메모리의 한계를 극복합니다. 이러한 과정은 페이지 교체 알고리즘을 사용하여 관리되며, 대표적으로 LRU(Least Recently Used) 알고리즘 등이 있습니다.

가상 메모리의 주요 이점은 다음과 같습니다.
1. 프로세스 격리: 각 프로세스는 독립된 가상 메모리 공간을 가지므로 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 손상시키지 않습니다.
2. 물리적 메모리 관리 향상: 가상 메모리를 사용하면 물리적 메모리의 한계를 초과하는 양의 프로그램 및 데이터를 실행할 수 있습니다.
3. 효율적인 프로세스 관리: 다수의 프로세스를 동시에 실행하면서 메모리 부족 상황에서도 시스템이 안정적으로 작동할 수 있습니다.

단점 중 하나는 가상 메모리 사용 시 하드 디스크 등의 저장장치에 접근하는 속도가 메모리에 비해 느릴 수 있다는 것입니다. 이로 인해 페이지 교체가 자주 발생하면 성능 저하가 발생할 수 있습니다. 하지만 가상 메모리 관리 기술의 발전으로 이러한 문제들이 상당 부분 해결되었습니다.

 

 

 

가상메모리의 사용공간

가상 메모리를 사용할 때 사용 가능한 가상 메모리 공간의 크기는 시스템의 아키텍처와 운영 체제에 따라 다를 수 있습니다. 일반적으로 가상 메모리 공간의 크기는 매우 큽니다.

32비트 시스템의 경우 각 프로세스는 대략 4GB(2^32 바이트)의 가상 메모리 공간을 사용할 수 있습니다. 이 가상 메모리 공간은 프로세스의 코드, 데이터, 스택, 힙 등의 영역으로 나뉩니다. 하지만 실제로 시스템의 물리적 RAM은 이보다 작을 수 있습니다. 따라서 많은 프로세스가 동시에 실행될 때 가상 메모리를 통해 물리적 메모리보다 큰 공간을 사용할 수 있게 됩니다.

64비트 시스템의 경우 가상 메모리 공간은 훨씬 큽니다. 64비트 아키텍처는 2^64 바이트 즉 16 exabytes(EB)의 주소 공간을 가질 수 있습니다. 하지만 현재 대다수의 컴퓨터 시스템에서는 이론적인 한계보다 훨씬 적은 양의 가상 메모리를 실제로 사용하고 있습니다. 예를 들어, 일반적인 데스크톱 컴퓨터에서는 수십 기가바이트(Gigabytes)에서 수백 기가바이트의 물리적 RAM과 몇 테라바이트(Terabytes)의 가상 메모리를 사용할 수 있습니다.

이런 큰 가상 메모리 공간을 사용함으로써 여러 프로세스가 동시에 실행되고 큰 데이터나 프로그램을 다루는 등의 작업을 수행할 수 있게 됩니다.

 

 

 

페이지(Page)

가상 메모리에서 "페이지"는 메모리 관리의 단위 중 하나를 말합니다. 페이지는 프로그램의 실행 코드, 데이터 또는 스택과 같은 일정한 크기의 블록으로 나누어진 메모리 조각입니다. 페이지는 일반적으로 고정된 크기를 가지며, 페이지 크기는 시스템에 따라 다를 수 있습니다. 대표적인 페이지 크기로는 4KB, 8KB, 16KB 등이 있습니다.

가상 메모리 시스템에서 프로세스의 가상 메모리 공간은 페이지로 나누어집니다. 이 페이지들은 물리적 메모리(실제 RAM)에 일부 또는 전체가 로드되며, 필요할 때마다 페이지 교체를 통해 메모리에 적재하거나 메모리에서 내릴 수 있습니다. 페이지 단위로 메모리를 관리함으로써 프로세스가 연속적인 메모리 공간을 필요로 하지 않더라도 물리적 메모리에 효율적으로 로드할 수 있게 됩니다.

예를 들어, 가상 메모리 공간을 페이지 단위로 나누었을 때, 프로세스의 첫 번째 페이지는 가상 메모리 주소 0부터 시작하고, 두 번째 페이지는 페이지 크기만큼 더해진 주소부터 시작합니다. 이렇게 각 페이지는 연속된 주소 범위를 갖습니다. 페이지 테이블이라는 데이터 구조를 사용하여 가상 메모리 주소를 실제 물리적 메모리 주소로 변환하고 페이지 단위로 메모리 접근이 이루어집니다.

이러한 페이지 단위의 메모리 관리는 가상 메모리 시스템을 효율적으로 운영하고 프로세스 간 메모리 격리를 제공하는 데 도움이 됩니다.

 

 

 

페이지 교체 알고리즘

가상 메모리의 페이지 교체 알고리즘은 물리적 메모리에 여러 페이지 중 어떤 페이지를 올릴지, 어떤 페이지를 내릴지 결정하는 데 사용되는 방법을 말합니다. 페이지 교체 알고리즘은 메모리 관리의 효율성과 성능에 영향을 미치므로 다양한 상황에 따라 적절한 알고리즘을 선택하는 것이 중요합니다.

1. FIFO (First-In-First-Out):
   가장 먼저 들어온 페이지를 먼저 내보내는 방식입니다. 큐 형태로 페이지를 관리하며, 가장 오래된 페이지가 먼저 교체됩니다. 그러나 FIFO 알고리즘은 "Belady의 비균일성"이라는 현상으로 인해 페이지 프레임의 수를 늘려도 페이지 부재(page fault)가 증가할 수 있는 단점이 있습니다.

2. LRU (Least Recently Used):
   가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체하는 알고리즘입니다. 최근에 사용한 페이지는 물리적 메모리에 유지하는 경향이 있어서, 이전에 사용하지 않은 페이지를 우선적으로 교체합니다. LRU 알고리즘은 이론적으로 최적의 알고리즘이지만, 구현이 복잡하고 실제 시스템에서는 실행 비용이 크기 때문에 근사 알고리즘을 사용하는 경우가 많습니다.

3. LFU (Least Frequently Used):
   가장 적게 사용된 페이지를 교체하는 알고리즘입니다. 페이지의 사용 빈도를 계산하여 가장 적게 사용된 페이지를 교체합니다. LFU 알고리즘은 일부 페이지가 처음에 자주 사용되고 그 후에는 거의 사용되지 않는 경우에 유용할 수 있습니다.

4. MRU (Most Recently Used):
   가장 최근에 사용된 페이지를 교체하는 알고리즘입니다. LRU의 반대 개념으로 가장 최근에 사용된 페이지를 물리적 메모리에 유지합니다. 그러나 MRU 알고리즘은 예측이 어려워 실제로 사용되는 빈도와는 다를 수 있어서 효과적이지 않을 수 있습니다.

5. Optimal (OPT):
   이론적으로 최적의 페이지 교체를 수행하는 알고리즘입니다. 앞으로 어떤 페이지가 가장 오랫동안 사용되지 않을지를 예측하여 교체합니다. 하지만 실제로는 미래를 예측하기 어려우며, 구현이 어렵기 때문에 대부분의 경우에는 사용되지 않습니다.

이 외에도 다양한 페이지 교체 알고리즘이 존재하지만, 현대 운영 체제에서는 LRU의 변형이나 근사 알고리즘들이 주로 사용되며, 실제 시스템 상황에 맞게 알고리즘을 선택하고 조정하는 것이 중요합니다.

 

 

 

디스크 스왑

디스크 스왑은 컴퓨터의 물리적 메모리(RAM)가 부족한 상황에서 사용되는 메모리 관리 기술 중 하나입니다. 시스템이 실행 중인 프로세스들과 데이터를 메모리에 모두 저장할 수 없을 때, 더 이상 사용하지 않는 메모리 페이지를 하드 디스크나 다른 영구 저장장치로 옮겨 놓는 것을 의미합니다.

가상 메모리 기술은 실제로 존재하지 않는 메모리 영역을 할당하는 것이 가능하지만, 정말 메모리가 부족하다면 페이지 폴트(Page Fault)가 발생하여 애플리케이션이 죽어버립니다. 이런 문제를 해결하기 위해서 나온 것이 '디스크 스왑'으로, 이는 메모리의 일부분을 디스크에 저장해 두었다가 그 영역을 읽고 쓰고자 할 때 디스크에서 불러와서 메모리에 적재하는 방식입다. 주메모리(램, 캐시 메모리)의 가격이 워낙 비싸고 보조 저장장치(하드디스크, SSD)는 상대적으로 훨씬 싸기 때문에 등장한 방법입니다.

디스크 스왑의 작동 방식은 다음과 같습니다:
1. 스왑 아웃 (Swap Out): 메모리 부족 상황에서 운영 체제는 더 이상 사용되지 않는 프로세스의 페이지나 데이터를 디스크로 스왑 아웃합니다. 이렇게 함으로써 해당 페이지의 물리적 메모리를 비우고 공간을 확보합니다.

2. 스왑 인 (Swap In): 필요한 페이지나 데이터가 다시 필요해질 때, 해당 페이지를 디스크에서 다시 읽어와 메모리로 스왑 인합니다. 이렇게 함으로써 프로세스가 다시 정상적으로 실행될 수 있게 됩니다.

가상 메모리 기술과 디스크 스왑은 직접적인 연관이 없습니다. 하지만 과거에는 비싸고 적은 용량의 메모리를 효율적으로 사용하기 위해 하드디스크를 사용하던 것이 결국 가상메모리 기술로 발전되었죠.