115. 가상기억장치 구현 기법 / 페이지 교체 알고리즘
가상기억장치의 개요
- 가상기억장치는 보조기억장치(하드디스크)의 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것으로, 용량이 작은 주기억장치를 마치 큰 용량을 가진 것처럼 사용하는 기법이다.
- 프로그램을 여러 개의 작은 블록 단위로 나누어서 가상기억장치에 보관해 놓고, 프로그램 실행 시 요구되는 블록만 주기억장치에 불연속적으로 할당하여 처리한다.
- 주기억장치의 용량보다 큰 프로그램을 실행하기 위해 사용한다.
- 주기억장치의 이용률과 다중 프로그래밍의 효율을 높일 수 있다.
- 가상기억장치에 저장된 프로그램을 실행하려면 가상기억장치의 주소를 주기억장 치의 주소로 바꾸는 주소 변환 작업이 필요하다.
- 블록 단위로 나누어 사용하므로 연속 할당 방식에서 발생할 수 있는 단편화를 해결할 수 있다.
- 가상기억장치의 일반적인 구현 방법에는 블록의 종류에 따라 페이징 기법과 세그먼테이션 기법으로 나눌 수 있다.
페이징(Paging) 기법
- 페이징 기법은 가상기억장치에 보관되어 있는 프로그램과 주기억장치의 영역을 동일한 크기로 나눈 후 나눠진 프로그램(페이지)을 동일하게 나눠진 주기억장치의 영역
(페이지 프레임)에 적재시켜 실행하는 기법이다.
- 프로그램을 일정한 크기로 나눈 단위를 페이지(Page)라고 하고, 페이지 크기로 일정하게 나누어진 주기억장치의 단위를 페이지 프레임(Page Frame)이라고 한다.
- 외부 단편화는 발생하지 않으나 내부 단편화는 발생할 수 있다.
- 주소 변환을 위해서 페이지의 위치 정보를 가지고 있는 페이지 맵 테이블(Page Map Table)이 필요하다.
- 페이지 맵 테이블 사용으로 비용이 증가되고, 처리 속도가 감소된다.
세그먼테이션(Segmentation) 기법
세그먼테이션의 개요
- 세그먼테이션 기법은 가상기억장치에 보관되어 있는 프로그램을 다양한 크기의 논리적인 단위로 나눈 후 주기억장치에 적재시켜 실행시키는 기법이다.
- 프로그램을 배열이나 함수 등과 같은 논리적인 크기로 나눈 단위를 세그먼트(Segment)라고 하며, 각 세그먼트는 고유한 이름과 크기를 갖는다.
- 기억장치의 사용자 관점을 보존하는 기억장치 관리 기법이다.
- 세그먼테이션 기법을 이용하는 궁극적인 이유는 기억공간을 절약하기 위해서이다.
- 주소 변환을 위해서 세그먼트가 존재하는 위치 정보를 가지고 있는 세그먼트 맵 테이블(Segment Map Table)이 필요하다.
- 세그먼트가 주기억장치에 적재될 때 다른 세그먼트에게 할당된 영역을 침범할 수 없으며, 이를 위해 기억장치 보호키(Storage Protection Key)가 필요하다.
- 내부 단편화는 발생하지 않으나 외부 단편화는 발생할 수 있다.
세그먼테이션 기법의 일반적인 주소 변환
주소 형식에 따른 주소와 세그먼트 맵 테이블의 구성
- 가상주소는 세그먼트 번호를 나타내는 s와 세그먼트 내에 실제 내용이 위치하고 있는 곳까지의 거리를 나타내는 변위값 d로 구성된다.
가상주소 형식
- 실기억주소는 완전주소 형태를 사용하며 이는 세그먼트의 기준번지와 변위값을 더함으로써 얻을 수 있다.
실기억주소 형식
- 세그먼트 맵 테이블(Segment Map Table)은 세그먼트 번호 s와 세그먼트의 크기 L(한계번지), 주기억장치 상의 기준번지(시작주소) b로 구성된다.
주소 변환 순서
세그먼트 맵 테이블
| 세그먼트 번호(s) | 세그먼트 크기(L) | 기준번지(b) |
|---|
- 가상주소의 세그먼트 번호로 세그먼트 맵 테이블에서 해당 세그먼트의 기준번지와 세그먼트 크기를 구한다. 세그먼트 번호는 세그먼트 맵 테이블에 대한 색인으로 사용된다.
- 가상주소의 변위값과 세그먼트의 크기를 비교한다.
- 변위값이 작거나 같으면 기준번지와 변위값을 더하여 실기억주소를 만들어 주기억장치를 액세스한다.
- 변위값이 크면 다른 영역을 침범하게 되므로 실행 권한을 운영체제에게 넘기고 트랩을 발생시킨다(변위값이 크다는 것은 현재 찾는 세그먼트의 위치가 해당 세그먼트의 크기(한계번지)를 초과하였다는 의미이다).
페이지 교체 알고리즘
- 페이지 교체 알고리즘은 페이지 부재(Page Fault)가 발생했을 때 가상기억장치의 필요한 페이지를 주기억장치에 적재해야 하는데, 이때 주기억장치의 모든 페이지 프레임이 사용중이면 어떤 페이지 프레임을 선택하여 교체할 것인지를 결정하는 기법이다.
- 페이지 교체 알고리즘에는 OPT, FIFO, LRU, LFU, NUR, SCR 등이 있다.
OPT(OPTimal replacement, 최적 교체)
- OPT는 앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체하는 기법이다.
- 벨레이디(Belady)가 제안한 것으로, 페이지 부재 횟수가 가장 적게 발생하는 가장 효율적인 알고리즘이다.
FIFO(First In First Out)
- FIFO는 각 페이지가 주기억장치에 적재될 때마다 그때의 시간을 기억시켜 가장 먼저 들어와서 가장 오래 있었던 페이지를 교체하는 기법이다.
- 이해하기 쉽고, 프로그래밍 및 설계가 간단하다.
LRU(Least Recently Used)
- LRU는 최근에 가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법이다.
- 각 페이지마다 계수기(Counter)나 스택(Stack)을 두어 현 시점에서 가장 오랫동안 사용하지 않은, 즉 가장 오래 전에 사용된 페이지를 교체한다.
LFU(Least Frequently Used)
- LFU는 사용 빈도가 가장 적은 페이지를 교체하는 기법이다.
- 활발하게 사용되는 페이지는 사용 횟수가 많아 교체되지 않고 사용된다.
NUR(Not Used Recently)
- NUR은 LRU와 비슷한 알고리즘으로, 최근에 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법이다.
- 최근에 사용되지 않은 페이지는 향후에도 사용되지 않을 가능성이 높다는 것을 전제로, LRU에서 나타나는 시간적인 오버헤드를 줄일 수 있다.
- 최근의 사용 여부를 확인하기 위해서 각 페이지마다 두 개의 비트, 즉 참조 비트(Reference Bit)와 변형 비트(Modified Bit, Dirty Bit)가 사용된다.
- 다음과 같이 참조 비트와 변형 비트의 값에 따라 교체될 페이지의 순서가 결정된다.
| 참조 비트 | 변형 비트 | 교체 순서 |
|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 2 |
| 1 | 0 | 3 |
| 1 | 1 | 4 |
SCR(Second Chance Replacement, 2차 기회 교체)
- SCR은 가장 오랫동안 주기억장치에 있던 페이지 중 자주 사용되는 페이지의 교체를 방지하기 위한 것으로, FIFO 기법의 단점을 보완하는 기법이다.
