가상메모리

Page

Demand Paging

실제로 필요할 때 page를 메모리에 올리는 것

• I/O 양의 감소
• Memory 사용량 감소
• 빠른 응답 시간
• 더 많은 사용자의 수용

Valid / Invalid bit의 사용

• Invalid의 의미
  • 사용되지 않는 주소 영역인 경우
  • 페이지가 물리적 메모리에 없는 경우
• 처음에는 모든 page entry가 invalid로 초기화
• address translation 시에 invalid bit이 set되어 있으면 => "page fault"

Memory에 없는 Page의 Page Table

페이지가 메모리에 올라가면 invalid bit이 valid로 바뀜

Page Fault

invalid page를 접근하면 MMU가 trap을 발생시킴 (page fault trap)
Kernel mode로 들어가서 page fault handler가 invoke됨
다음과 같은 순서로 page fault를 처리한다.

1. Invalid referenece? (eg. bad address, protection violation) => abort process.
2. Get an empty page frame(없으면 뺏어온다: replace)
3. 해당 페이지를 disk에서 memory로 읽어온다.
  - disk I/O가 끝나기까지 이 프로세스는 CPU를 preempt 당함(block)
  - Disk read가 끝나면 page tables entry 기록, valid/invalid bit = 'valid'
  - read queue에 process를 insert -> dispatch later
4. 이 프로세스가 CPU를 잡고 다시 running
5. 아까 중단되었던 instruction을 재개

Free frame이 없는 경우

Page replacement

• 어떤 frame을 빼앗아올지 결정해야 함
• 곧바로 사용되지 않을 page를 쫓아내는 것이 좋음
• 동일한 페이지가 여러 번 메모리에서 쫓겨났다가 다시 들어올 수 있음

Replacement Algorithm

• page-fault rate을 최소화 하는 것이 목표
• 알고리즘의 평가
  • 주어진 page reference string에 대해 page fault를 얼마나 내는지 조사

Page Replacement

Optimal Algorithm

페이지 교체의 가장 좋은 알고리즘으로, 가장 먼 미래에 참조되는 page를 replace한다.

미래의 참조를 어떻게 아는가? -> offline algorithm
그러나 실제 시스템에서 사용은 불가(미래를 알 수 없기 때문에)

다른 알고리즘의 성능에 대한 upper bound 제공

• Belady's optimal algorithm, MIN, OPT 등으로 불림

FIFO(First In First Out) Algorithm

FIFO: 먼저 들어온 것을 먼저 내쫓음

FIFO Anomaly (Belady's Anomaly)

• more frame !== less page faults

프레임을 늘려주어도 page faults가 더 많이 발생할 수 있음!

LRU(Least Recently Used) Algorithm

LRU: 가장 오래 전에 참조된 것을 지움

LFU(Least Frequently Used) Algorithm

LFU: 참조 횟수(reference count)가 가장 적은 페이지를 지움

• 최저 참조 횟수인 page가 여럿 있는 경우
  • LFU 알고리즘 자체에서는 여러 page 중 임의로 선정한다
  • 성능 향상을 위해 가장 오래 전에 참조된 page를 지우게 구현할 수도 있다.
• 장단점
  • LRU처럼 직전 참조 시점만 보는 것이 아니라 장기적인 시간 규모를 보기 때문에 page의 인기도를 좀 더 정확히 반영할 수 있음
  • 참조 시점의 최근성을 반영하지 못함

    비록 가장 적게 참조되었지만 최근 참조된 경우 반영하지 못하고 교체됨

  • LRU보다 구현이 복잡함

LRU와 LFU 알고리즘의 구현

LRU는 연결리스트, LFU는 힙을 사용

다양한 캐슁 환경

caching 기법

• 한정된 빠른 공간(=캐쉬)에 요청된 데이터를 저장해 두었다가 후속 요청시 캐쉬로부터 직접 서비스하는 방식
• paging system 외에도 cache memory, buffer caching, Web caching등 다양한 분야에서 사용

캐쉬 운영의 시간 제약

• 교체 알고리즘에서 삭제할 항목을 결정하는 일에 지나치게 많은 시간이 걸리는 경우 실제 시슽메에서 사용할 수 없음
• Buffer caching이나 Web caching의 경우
  • O(1)에서 O(log n) 정도 까지 허용
• Paging system인 경우
  • page fault인 경우에만 OS가 관여함
  • 페이지가 이미 메모리에 존재하는 경우 참조시각 등의 정보를 OS가 알 수 없음
  • O(1)인 LRU의 list 조작조차 불가능

Paging System에서 LRU, LFU 가능한가?

위에서 말한 것처럼 페이지가 이미 메모리에 올라와 있는 경우 하드웨어적으로만 동작하기 때문에 OS가 처리할 시점의 정보가 부족함

따라서 이러한 알고리즘들의 사용이 불가능하다!

Clock Algorithm

Clock algorithm

• LRU의 근사 알고리즘
• 여러 명칭으로 불림
  • Second chance algorithm
  • NUR (Not Used Recently) 또는 NRU (Not Recently Used)
• Reference bit을 사용해서 교체 대상 페이지 선정(circular list)
• reference bit가 0인 것을 찾을 때까지 포인터를 하나씩 앞으로 이동
• 포인터 이동하는 중에 reference bit 1은 모두 0으로 바꿈
• Reference bit이 0인 것을 찾으면 그 페이지를 교체
• 한 바퀴 되돌아와서도(=second chance) 0이면 그때에는 replace 당함
• 자주 사용되는 페이지라면 second chance가 올 때 1

Clock algorithm의 개선

• reference bit과 modified bit (dirty bit)을 함께 사용
• reference bit = 1: 최근에 참조된 페이지
• modified bit = 1: 최근에 변경된 페이지(I/O를 동반하는 페이지)

Page Frame의 Allocation

Allocation problem: 각 process에 얼마만큼의 page frame의 할당할 것인가?

Allocation의 필요성

• 메모리 참조 명령어 수행시 명령어, 데이터 등 여러 페이지 동시 참조
  • 명령어 수행을 위해 최소한 할당되어야 하는 frame의 수가 있음
• Loop를 구성하는 page들은 한꺼번에 allocate 되는 것이 유리함
  • 최소한의 allocation이 없으면 매 loop 마다 page fault

Allocation Scheme

• Equal allocation: 모든 프로세스에 똑같은 갯수 할당
• Proportional allocation: 프로세스 크기에 비례하여 할당
• Priority allocation: 프로세스의 priority에 따라 다르게 할당

Global vs. Local Replacement

Global replacement

• Replace 시 다른 process에 할당된 frame을 빼앗아 올 수 있다.
• Process별 할당량을 조절하는 또 다른 방법임
• FIFO, LRU, LFU 등의 알고리즘을 global replacement로 사용시에 해당
• Working set, PFF 알고리즘 사용

Local replacement

• 자신에게 할당된 frame 내에서만 replacement
• FIFO, LRU, LFU 등의 알고리즘을 process 별로 운영시

Thrashing

Thrashing

• 프로세스의 원활한 수행에 필요한 최소한의 page frame 수를 할당 받지 못한 경우 발생
• Page fault rate이 매우 높아짐
• CPU utilization이 낮아짐
• OS는 MPD(Multiprogramming degree)를 높여야 한다고 판단
• 또 다른 프로세스가 시스템에 추가됨(higher MPD)
• 프로세스 당 할당된 frame의 수가 더욱 감소
• 프로세스는 page의 swap in / swap out으로 매우 바쁨
• 대부분의 시간에 CPU는 한가함
• low throughput

Working-Set Model

Locality of reference

• 프로세스는 특정 시간 동안 일정 장소만을 집중적으로 참조한다
• 집중적으로 참조되는 해당 page들의 집합을 locality set이라 함

Working-set Model

• Locality에 기반하여 프로세스가 일정 시간 동안 원활하게 수행되기 위해 한꺼번에 메모리에 올라와 있어야 하는 page들의 집합을 Working Set이라 정의함
• Working Set 모델에서는 process의 working set 전체가 메모리에 올라와 있어야 수행되고 그렇지 않은 경우 모든 frame을 반납한 후 swap out(suspend)
• Thrashing을 방지함
• Multiprogramming degree를 결정함

working set size의 합이 page frame의 수보다 큰 경우 swap out시켜두었다가 이후에 공간이 비게되면 swap out되었던 프로세스에게 working set을 할당한다.

PFF(Page-Fault Frequency) Scheme

page-fault rate의 상한값과 하한값을 둔다

• Page fault rate이 상한값을 넘으면 frame을 더 할당한다.
• Page fault rate이 하한값 이하이면 할당 frame 수를 줄인다.

빈 frame이 없으면 일부 프로세스를 swap out

Page Size의 결정

Page size를 감소시키면

• 페이지 수 증가
• 페이지 테이블 크기 증가
• Internal fragmentation 감소
• Disk transfer의 효율성 감소
  • Seek/rotation vs. tranfer

    페이지가 작으면 fault가 많이나고 그때마다 disk에 헤더를 통해 seek를 하러가야하는데 이 비용이 크다.

• 필요한 정보만 메모리에 올라와 메모리 이용이 효율적
  • Locality의 활용 측면에서는 좋지 않음

최근 트렌드는 큰 Page size를 사용

참고사이트

http://www.kocw.net/home/cview.do?cid=3646706b4347ef09