운영체제 | 가상 메모리

🥔 가상 메모리(Virtual Memory)란?

운영체제는 물리 메모리(RAM)의 한계를 극복하고, 더 효율적이고 안전한 메모리 관리를 위해 가상 메모리(Virtual Memory) 를 사용한다.

가상 메모리는 논리적으로 무한한 메모리 공간을 제공하는 추상화다.

🥔 가상 메모리의 핵심 아이디어

• 프로그램은 자신만의 독립적인 주소 공간을 가진 것처럼 보임
• 실제로는 운영체제가 물리 메모리와 디스크를 관리하면서 필요한 부분만 로딩
• 주소 변환은 MMU(Memory Management Unit)와 페이지 테이블이 수행

🥔 가상 메모리의 장점

장점	설명
주소 공간 분리	각 프로세스는 자신의 메모리 공간을 가지고 있어 서로 간섭 불가
보안성 향상	커널 영역과 사용자 영역을 구분하여 보호
효율적 자원 활용	실제 필요한 메모리만 물리 메모리에 적재
프로세스 간 공유	공유 메모리를 통해 통신 가능
프로그램 크기 제한 해제	물리 메모리보다 큰 프로그램도 실행 가능

🥔 주소 변환: 가상 주소 → 물리 주소

가상 메모리를 쓰는 프로그램의 주소는 실제 RAM 주소가 아니다.
CPU는 가상 주소(Virtual Address)를 사용하고, MMU가 페이지 테이블(Page Table) 을 통해 물리 주소로 변환한다.

[Virtual Address] --(MMU + Page Table)--> [Physical Address]

이 과정을 주소 매핑(Address Mapping) 이라고 한다.

🥔 페이지(Page)와 프레임(Frame)

가상 메모리는 고정 크기 단위인 페이지(Page) 로 나뉘며,
물리 메모리 역시 동일한 크기의 프레임(Frame) 으로 나뉜다.

항목	설명
Page	가상 메모리의 단위
Frame	물리 메모리의 단위
Page Table	Page → Frame으로의 매핑 정보를 저장한 표

일반적으로 페이지 크기는 4KB (x86 기준)

🥔 Page Fault란?

필요한 페이지가 아직 메모리에 올라와 있지 않은 경우, CPU는 해당 페이지를 찾지 못하고 Page Fault 예외를 발생시킨다.

운영체제는 이 신호를 받고:

1. 디스크에서 해당 페이지를 읽어옴 (Demand Paging)
2. 메모리에 적재하고
3. 페이지 테이블을 갱신한 뒤
4. 다시 명령어를 재시도

→ 이 과정을 통해 지연은 있지만, 메모리 낭비 없이 실행 가능

🥔 가상 메모리 구현 전략

✅ Demand Paging

• 실제로 필요할 때만 페이지를 적재하는 방식
• 초기에는 최소한의 메모리만 할당
• Page Fault가 발생하면 디스크에서 불러옴

✅ Swapping

• 메모리가 부족하면 일부 페이지를 디스크로 내보냄
• 필요할 때 다시 불러옴 → Swap In / Swap Out

✅ Copy-On-Write (COW)

• 부모-자식 프로세스가 메모리를 공유하지만
  실제로 쓰기(write) 가 발생할 때 복사하는 기법
• fork() 후 효율적으로 메모리를 활용하는 데 사용됨

🥔 가상 메모리 vs 물리 메모리

항목	가상 메모리	물리 메모리
관리 주체	운영체제(OS)	하드웨어(RAM)
주소	프로세스 기준 논리 주소	실제 주소 (RAM 위치)
용량 제한	이론적으로 매우 큼	실제 장착된 메모리 용량
보안	프로세스 간 격리 가능	직접 접근 시 취약할 수 있음

🥔 요약

• 가상 메모리는 운영체제가 제공하는 메모리 추상화로, 효율성과 보안성을 높여준다.
• MMU + 페이지 테이블을 통해 가상 주소 → 물리 주소 매핑
• Page, Frame, Page Fault, Demand Paging 등의 개념이 핵심
• 현대의 모든 운영체제는 가상 메모리 기반으로 동작함