2025.05.30
TIL(TODAY I LEARN)
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오늘한 내용 : PintOS - Project3: Virtual Memory - gitbook 정리 중! - introduction
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WEEK 12 : 정글 끝까지(PintOS) - Virtual Memory
Project3: Virtual Memory
Introduction
목표
- 물리 메모리(RAM) 크기에 구애받지 않고 여러 사용자 프로그램이 동시에 실행되도록 가상 메모리 환경을 구축
- 페이지 교체(swap-in/out), 파일 매핑, 익명 메모리 등으로 “무한 메모리” 환상 제공
핵심 개념
- 페이지(Page)
- 가상 주소 공간의 기본 단위(4 KB)
- 페이지-정렬(4096바이트 경계)에 따라 시작 주소가 결정
- 프레임(Frame)
- 물리 메모리(RAM)의 4 KB 단위 블록
- 페이지가 실행되려면 반드시 프레임에 매핑돼 있어야 함
- 페이지 테이블(Page Table)
- CPU가 가상 주소 → 물리 주소 변환에 사용하는 자료구조
- 각 가상 페이지가 어느 프레임에 올라가 있는지 매핑 정보 저장
- 스왑 슬롯(Swap Slot)
- 디스크 상의 4 KB 블록, RAM 부족 시 페이지를 내릴 공간
- 스왑 슬롯에 쓰고, 나중에 다시 읽어오면 해당 페이지 복원
구현 과제
- 보조 페이지 테이블
- 기본 페이지 테이블만으로는 “이 페이지는 어디서 오나요?” 알 수 없음
- 각 가상 페이지별로
type(VM_ANON, VM_FILE, VM_UNINIT), 파일 오프셋, 스왑 인덱스 등 추가 정보 저장
- 프레임 테이블
- 시스템 전체 프레임을 전역 자료구조로 관리
- 프레임 상태(비어 있음/차지 중), 매핑된 페이지 정보 추적
- 빈 프레임 없으면 교체 후보 선정 → 스왑 또는 파일에 내리기
- 스왑 테이블
- 디스크 스왑 영역의 사용 현황 관리(비트맵 또는 배열)
- 페이지 내릴 때 빈 슬롯 할당, 읽어올 때 슬롯 해제
- 페이지 폴트 처리
- 유저 프로세스가 아직 메모리에 없는 주소 접근 시 발생
vm_try_handle_fault()구현:- 보조 페이지 테이블 조회 → 유효성(주소, 권한) 검사
- 프레임 확보(
palloc_get_page(PAL_USER)) - 데이터 로드(제로 페이지, 파일 읽기, 스왑 읽기)
- 페이지 테이블(
pagedir_set_page)에 매핑
작업 순서 예시
- 보조 페이지 테이블 설계
- 해시테이블 또는 리스트로 “가상 주소 → 메타정보” 매핑 구현
- 프레임·스왑 테이블 구현
bitmap또는 동적 배열로 전역 프레임/스왑 사용 현황 관리- 프레임 교체 정책(예: 순환, LRU 유사) 간단히 구현
- 페이지 폴트 핸들러 완성
vm_try_handle_fault()에 위 3단계 로직 추가- 익명·파일·언인잇 타입별로 분기 처리
- 테스트 및 검증
- 프로젝트 2 테스트가 여전히 통과하는지 확인
- VM 전용 테스트(
-swap-size,mmap등) 실행해 동작 검증
+-------------------------------------+
| 사용자 프로세스 |
| 가상 주소(VA)에 접근 시도 |
+-------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------+
| 페이지 폴트 처리기 |
| vm_try_handle_fault 호출 |
+-------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------+
| 보조 페이지 테이블 조회 |
| (해시테이블) |
+-------------------------------------+
|
v
+----------------------+ 아니오 +---------------------+
| 엔트리 발견? |────────────> | 프로세스 종료: |
+----------------------+ | 잘못된 접근 |
예 +---------------------+
|
v
+-------------------------------------+
| 페이지 타입·추가 정보 조회 |
+-------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------+
| 프레임 테이블에서 프레임 확보 |
| (palloc_get_page(PAL_USER)) |
+-------------------------------------+
|
v
+--------------------------------+ 아니오 +---------------------------+
| 프레임 테이블에 여유 있나? |──────────────>| 희생자 프레임 교체: |
+--------------------------------+ | - 교체 알고리즘으로 선택 |
예 | - 변경된 페이지는 스왑아웃 |
| +---------------------------+
v
+-------------------------------------+
| 페이지 데이터 로드 |
| - 파일 읽기 |
| - 제로 초기화 |
| - 스왑인 |
+-------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------+
| 페이지 테이블 엔트리 설치 |
| (pagedir_set_page(pt, upage, frame, |
| writable)) |
+-------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------+
| 사용자 명령 재개 |
+-------------------------------------+
최종 흐름
1. 사용자 코드가 VA(가상 주소)에 접근 시도
└─ CPU가 PTE의 present 비트 및 권한 비트 확인
├─ present = 1 그리고 권한 허용 → 정상 접근, 그대로 실행
└─ 그렇지 않으면 → 페이지 폴트 예외 발생 → 커널 페이지 폴트 처리기(vm_try_handle_fault)로 이동
2. 페이지 폴트 처리기(vm_try_handle_fault) 진입
a) 보조 페이지 테이블(SPT)에서 upage 조회
├─ 엔트리 없음 → 잘못된 접근으로 프로세스 종료
└─ 엔트리 있음
└─ 추가로 “쓰기 시 읽기 전용” 등 권한 위반 검사 → 위반 시 종료
b) 물리 프레임 확보 (`palloc_get_page(PAL_USER)`)
├─ 빈 프레임 반환 → 즉시 사용
└─ NULL 반환(빈 프레임 없음)
└─ 희생자(victim) 프레임 선정(교체 알고리즘)
├─ 희생자 페이지의 dirty/파일 타입에 따라
│ • dirty → swap-out(스왑 테이블 업데이트)
│ • 파일 페이지 → 파일에 쓰기
└─ 희생자 프레임을 해제 → 빈 프레임 확보
└─ 확보된 프레임 → 프레임 테이블에 “upage ↔ frame” 매핑 정보 갱신
c) 페이지 내용 로드
├─ VM_FILE 타입 → 파일에서 읽기
├─ VM_ANON 타입 → 스왑 슬롯에서 읽기
└─ VM_UNINIT 타입 → 제로 초기화
d) PTE 설치 (`install_page(upage, frame, writable)`)
├─ PTE의 present 비트를 1로 설정
├─ PTE에 물리 프레임 번호 갱신
└─ 내부적으로 프레임 테이블·스왑 테이블 메타데이터 동기화
3. 페이지 폴트 처리 완료 → 사용자 명령 재개
어렵다!
^_^