💡 가상 메모리와 페이징(Paging) 기법
1. 연속 메모리 할당의 두 가지 치명적 한계
프로세스를 메모리에 연속적으로 할당하는 기존 방식은 크게 두 가지 문제를 내포하고 있습니다.
1. 외부 단편화: 메모리 사이사이에 빈 공간이 생겨 메모리가 낭비되는 현상
2. 물리 메모리 크기의 한계: 프로세스를 반드시 메모리에 연속적으로 통째로 올려야 한다면, 실제 물리 메모리(RAM)보다 덩치가 큰 프로그램은 아예 실행조차 할 수 없음
2. 가상 메모리 (Virtual Memory)의 등장
이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 기술이 가상 메모리입니다.
가상 메모리는 실행하고자 하는 프로그램을 한 번에 통째로 올리지 않고, '당장 필요한 일부만 메모리에 적재'하여 실제 물리 메모리 크기보다 훨씬 더 큰 프로세스를 실행할 수 있게 해주는 마법 같은 기술입니다.
대표적인 구현 기법으로 페이징(Paging)과 세그멘테이션(Segmentation)이 있으며, 현대의 대부분의 운영체제는 페이징 기법을 근간으로 사용합니다.
3. 페이징 (Paging) 기법이란?
연속 메모리 할당에서 외부 단편화가 생기는 근본적인 이유는 '각기 다른 크기'의 프로세스들이 메모리에 할당되었기 때문입니다. 만약 메모리와 프로세스를 완벽하게 똑같은 일정한 크기로 자르고, 이를 메모리에 불연속적으로 흩뿌려 할당할 수 있다면 빈 공간이 생기지 않을 것입니다. 이것이 페이징의 핵심 아이디어입니다.
- 페이지 (Page): 프로세스의 논리 주소 공간을 일정한 크기로 자른 단위
- 프레임 (Frame): 메모리의 물리 주소 공간을 페이지와 동일한 크기로 자른 단위
- 동작 방식: 운영체제는 프로세스의 조각인 '페이지'들을 메모리의 빈 '프레임'에 쏙쏙 끼워 넣어 할당합니다.
🔄 페이징 단위의 스와핑 (Page-in / Page-out)
페이징 기법을 사용하면 메모리를 관리하는 단위가 프로세스 전체가 아니라 더 작은 '페이지'가 됩니다. 따라서 스와핑 역시 페이지 단위로 이루어집니다.
- 페이지 아웃 (Page-out): 당장 사용되지 않는 페이지를 보조기억장치(스왑 영역)로 쫓아냄
- 페이지 인 (Page-in): 다시 필요해진 페이지를 메모리로 불러옴
결과적으로, 물리 메모리보다 큰 프로세스라도 당장 필요한 페이지만 메모리에 올려두고 쓸 수 있게 됩니다.
4. 페이지 테이블 (Page Table)
페이징 기법은 외부 단편화를 해결하지만 새로운 문제를 낳습니다. 프로세스가 메모리에 불연속적으로 뿔뿔이 흩어져 배치되어 있다면, CPU 입장에서는 다음 실행할 명령어의 위치를 찾기 어려워 순차적인 실행이 불가능해집니다.
이를 해결하기 위해 운영체제는 페이지 테이블(Page Table)이라는 특별한 이정표를 사용합니다.
- 역할: 비록 물리 주소(실제 메모리)에는 페이지들이 엉망진창으로 불연속적으로 배치되어 있더라도, CPU가 바라보는 논리 주소 공간에서는 마치 연속적으로 배치되어 있는 것처럼 속이는(매핑해 주는) 역할을 합니다.
- 원리: CPU가 "1번 페이지 줘!"라고 논리 주소를 말하면, 페이지 테이블이 "1번 페이지는 현재 5번 프레임(물리 주소)에 있어"라고 번역해 줍니다.
5. 🚨 페이징의 새로운 문제점: 내부 단편화 (Internal Fragmentation)
페이징을 도입하면 메모리 외부 단편화(External Fragmentation)는 완벽히 해결되지만, 대신 내부 단편화라는 새로운 부작용이 생길 수 있습니다.
- 원인: 모든 프로세스가 페이지 크기의 배수(예: 4KB)로 딱 맞아떨어지지 않기 때문입니다.
- 예시: 페이지 크기가 10KB인데, 프로세스 크기가 108KB라면?
총 11개의 페이지가 필요합니다. 앞의 10개 페이지는 10KB씩 꽉 차지만, 마지막 11번째 페이지는 8KB만 채워지고 2KB의 빈 공간이 남게 됩니다. 이렇게 페이지 '내부'에 할당되었지만 쓰이지 않고 낭비되는 자투리 공간을 내부 단편화라고 부릅니다.
