가상 메모리(Virtual Memory)란?
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프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법
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물리 메모리 크기의 한계를 극복하기 위한 기술로 물리 메모리보다 큰 프로세스를 수행하게 함
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동적 할당으로 프로세스 실행 시 필요한 부분만 메모리에 적재
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프로세스의 모든 코드는 항상 필요한 것이 아니다. 오류를 처리하는 부분이나 필요 없는 배열 부분은 실제로 프로세스가 잘 동작한다면 필요 없는 부분이 된다. 따라서, 프로세스는 필요한 부분만 메모리에 올림으로써 메인 메모리에 올라가는 프로세스의 크기를 줄인다. 프로세스 이미지를 모두 메모리에 올릴 필요가 없는 것이다. 동적 적재와 비슷한 개념이라고 알 수 있다.
장점
- 프로그램은 물리 메모리 크기에 의해 더 이상 제약받지 않게 된다.
- 더 많은 프로그램을 동시 실행할 수 있다. 이에 따라 응답시간은 유지되고, CPU 이용률과 처리율은 높아진다.
- 프로그램을 메모리에 올리고 SWAP 하는데 필요한 입출력 횟수가 줄어서 프로그램들이 더 빨리 실행된다.
역할
- 논리 메모리를 물리 메모리로부터 분리시켜주는 것
- 가상 메모리는 페이지 공유를 통해 파일이나 메모리가 둘 또는 그 이상의 프로세스들에 의해 공유되는 것을 가능하게 한다.
페이지 부재(Page Fault)
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프로세스가 메인 메모리에 저장되지 않은 페이지를 사용하려 할 때 발생(즉, 프로세스가 사용하려는 페이지가 메인 메모리에 없는 경우)
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페이지 폴트가 발생하면 해당 페이지를 가상 메모리에서 찾게 됨
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가상메모리는 하드디스크에 저장되어 있기 때문에, 페이지폴트가 발생하면 I/O에 의한 속도의 저하가 발생
요구 페이징(Demand Paging)
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페이지 부재를 해결하기 위한 가상 메모리 관리법
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초기에 필요한 것들만 적재하고 페이지들이 실행 과정에서 실제로 필요할 때 적재하는 것
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한 번도 접근되지 않는 페이지는 물리 메모리에 적재되지 않음
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메모리 관리 매커니즘(MMU)을 사용해 여러 프로세스가 시스템의 메모리를 효율적으로 공유할 수 있도록 함
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운영체제는 페이지 테이블(Page Table)로 가상 메모리를 관리
- OS는 프로세스들의 내용(페이지) 중 덜 중요한 것들을 하드디스크에 옮겨 놓고, 관련 정보를 페이지 테이블에 기록
- 페이지 테이블에는 각 페이지가 저장된 주소값이 있음
- CPU는 프로세스를 실행하면서 페이지 테이블을 통해 페이지를 조회
동작원리
- CPU에서 페이지를 찾는다.
- 페이지 테이블의 Valid bit 값이 1이면 존재, 0이면 부재
- Valid bit가 0인 경우, 인터럽트가 발생해 필요한 페이지에 메모리를 할당
- 인터럽트(interrupt): CPU가 프로그램 실행 중 I/O 장치나 예외상황이 발생해 처리가 필요한 경우 CPU에게 알려 처리할 수 있도록 하는 작업
페이지 교체(Page Replacement)
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페이지 부재가 발생했는데 빈 프레임이 없다면 페이지 교체 알고리즘으로 대응
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사용하지 않지만 메인 메모리에 있는 페이지를 디스크로 내보내고 새로운 페이지로 바꾸는 과정
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내보낼 페이지를 고를 때는 페이지 부재 비율이 가장 낮은 알고리즘을 선택
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프로세스가 메모리에 없는 페이지를 접근하면 페이지 테이블 항목이 무효로 설정되어 있어 페이지 부재 트랩(page-fault trap)을 발생시킴
페이지 교체 알고리즘
FIFO(First In First Out)
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메모리에 올라온 지 가장 오래된 페이지 교체
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오래된 페이지가 항상 불필요한 정보를 포함하지 않을 수 있음
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처음부터 활발하게 사용되는 페이지를 교체해 페이지 부재율을 높일 수 있음
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Belady의 모순: 페이지를 저장할 수 있는 페이지 프레임의 갯수를 늘려도 되려 페이지 부재가 더 많ㅎ이 발생하는 모순이 존재
OPT(Optimal Page Replacement)
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앞으로 가장 사용하지 않을 페이지(가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지)를 가장 우선적으로 내보냄
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알고리즘 중 가장 낮은 페이지 부재율을 보장
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모든 프로세스의 메모리 참조의 계획을 미리 파악할 방법이 없어서 구현의 어려움이 있음
LRU(Least Recently Used)
- 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택해 교체
- 최근에 사용되지 않으면 나중에도 사용되지 않을 것이라는 아이디어
LFU(Least Frequently Used)
- 참조 횟수가 가장 적인 페이지를 교체
- 활발하게 사용되는 페이지는 참조 횟수가 많아질 것이라는 가정
MFU(Most Frequently Used)
- 참조 횟수가 가장 많은 페이지를 교체
- 참조 횟수가 가장 작은 페이지가 최근에 메모리에 올라왔고, 앞으로 계속 사용될 것이라는 가정에 기반
캐시(Cache) 메모리
캐시
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캐시 메모리란 데이터를 미리 복사해두는 임시 저장공간
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데이터 접근시간이 원래 데이터를 접근하는 시간에 비해 월등히 빠름
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자주 사용되는 데이터를 캐시에 두고 사용함으로, 접근ㅅ시간을 줄여 CPU 성능을 효율적으로 사용할 수 있음
필요성
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속도가 빠른 장치와 느린 장치간의 속도차에 따른 병목 현상을 줄이기 위함
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즉, 메모리와 CPU간의 속도 차이를 좁히기 위해 CPU가 앞으로 사용할 가능성이 많은 데이터를 미리 가져오는 것(메인 메모리에 접근하지 않아도 됨으로 시간단축)
작동원리
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적중율(Hit rate)를 극대화 시키기 위해 데이터 지역성(Locality)의 원리를 사용
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캐시에서 원하는 데이터를 찾으면 Cache Hit, 못 찾으면 Cache Miss
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지역성의 전제조건으로 프로그램은 모든 코드나 데이터를 균등하게 Access하지 않는 특성을 기본으로 함
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즉, Locality란 기억장치 내의 정보를 균일하게 Access하는 것이 아닌 어느 한 순간에 특정 부분을 집중적으로 참조하는 특성인 것
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시간적 지역성
- 한 번 조회된 메모리의 데이터는 Cache로서 다시 조회될 가능성이 더 높아진다
- 발생 상황: 순환(for문, while문), 서브 프로그램, 스택, 계산이나 합계에 사용하는 변수
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공간적 지역성
- 현재 메모리 위치에 가까운 데이터가 멀리 있는 데이터보다 캐시로써 조회될 가능성이 높다
- 발생 상황: 배열 검색(순회), 순차적 코드 실행, 근처의 관련 변수 선언
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[참조]
https://copycode.tistory.com/122?category=740133
https://blackjellybear.tistory.com/31
